Model energetyczny pojedynczego atomu Półprzewodniki Pojedynczy atom może znajdować się w jednym z wielu stanów o różnych energiach, gdyż elektrony znajdujące się w przestrzeni wokół jądra atomowego zajmują określone poziomy energetyczne. Położenie elektronu na danym poziomie określa się za pomocą liczb kwantowych. Gdy elektrony są w konfiguracji odpowiadającej najniższej energii, cały atom jest w stanie o najniższej energii, zwanym stanem podstawowym. Elektrony zajmują wszystkie najniższe poziomy, zgodnie z tzw. zakazem Pauliego. Na rysunku 4.1 przedstawiono jednowymiarowy model energetyczny pojedynczego atomu. Niebieskie kreski poziome odpowiadają dozwolonym poziomom energii (w modelu Bohra kreski te odpowiadają całkowitym energiom elektronów znajdujących się na tzw. orbitach dozwolonych). Przedziały energii, których elektrony nie mogą posiadać, oddzielające od siebie dozwolone poziomy energetyczne, nazywamy pasmami zabronionymi. Model energetyczny ciała stałego W ciele stałym elektrony są ułożone w sieci krystalicznej tak blisko siebie, że ich oddziaływanie powoduje przesunięcia i rozszczepianie poziomów energetycznych. Przeanalizujmy dokładniej zjawisko rozszczepiania się poziomów dozwolonych dwóch atomów w procesie krystalizacji. Jeśli przechodzenie materii do stałego stanu skupienia wiąże się z tworzeniem sieci krystalicznej, wówczas odległości pomiędzy atomami zwykle maleją (k 2 < kj. Przy ich zbliżaniu ku sobie dozwolone poziomy energetyczne rozsuwają się nieznacznie wzdłuż osi energii (rys. 4.2). Po uformowaniu sieci krystalicznej odległość pomiędzy atomami jest na tyle mała, że stykające się poziomy energetyczne atomów tworzą jeden wspólny poziom (rys. 4.3). Gdyby nie nastąpiło wcześniej rozsunięcie dozwolonych poziomów energetycznych atomów, to na utworzonym wspólnym poziomie energetycznym mogłyby się znaleźć dwa elektrony o takim samym komplecie liczb kwantowych, a to oznaczałoby naruszenie zakazu Pauliego, co jest niemożliwe. Stykające się poziomy energetyczne atomów w sieci krystalicznej, znajdujących się w odległości k 0 od siebie, nie tylko rozsuwają się, ale i każdy z nich rozprzestrzenia się na wszystkie pozostałe atomy danego kryształu. W ten sposób każą atom kryształu zyskuje tym więcej poziomów dozwolonych energii, im więcej atomów znajduje się w danym krysztale (rys. 4.4). Poziomy te tworzą w każdym atomie na miejscu pojedynczych poziomów dozwolonych całe pasma dozwolone o znacznej szerokości. Zamiast jednego stanu o najniższej energii mamy teraz pasmo walencyjne (podstawowe) stanów, w których elektrony są zwykle związane z "macierzystymi" atomami. Powyżej tego pasma jest usytuowane pasmo przewodnictwa, w którym mogą znaleźć się elektrony swobodne wyrwane z sieci krystalicznej. Odstęp między tymi pasmami nosi nazwę pasma zabronionego (lub przerwy zabronionej). Ze względu na sposób zapełniania elektronowych pasm energetycznych możemy dokonać podziału ciał stałych na przewodniki, izolatory oraz tzw. półprzewodniki (rys. 4.5). W przypadku przewodnika (np. w metalu) pasma przewodnictwa i walencyjne zachodzą na siebie i nie ma jasnego rozróżnienia między tymi pasmami; pasmo walencyjne nie jest całkowicie wypełnione i dowolnie niska energia pozwala elektronowi przemieszczać się swobodnie. Nie ma przerwy energetycznej, którą trzeba przezwyciężyć dla uwolnienia elektronu, więc 1
opór elektryczny przewodnika nie jest duży. W izolatorze niemal puste pasmo przewodnictwa jest oddzielone od wypełnionego pasma walencyjnego znaczną przerwą, w której nie ma poziomów dozwolonych dla elektronów. Tylko niewiele elektronów uzyskuje w ruchu termicznym tak wysoką energię, aby przejść do pasma przewodnictwa. Zatem niewiele elektronów w izolatorze może się swobodnie poruszać (w temperaturze zera bezwzględnego nie byłoby ich wcale!), więc opór izolatora jest bardzo duży. Wzrost temperatury zwiększa liczbę elektronów w paśmie przewodnictwa, co zmniejsza opór, ale w temperaturze pokojowej jest on nadal bardzo duży. W półprzewodniku szerokość pasma zabronionego jest mniejsza niż w izolatorze, co umożliwia elektronom o większej energii kinetycznej przejście z pasma podstawowego do pasma przewodnictwa. Opór półprzewodnika jest zatem znacznie mniejszy od oporu izolatora. Półprzewodniki samoistne Półprzewodniki tworzą zwartą grupę pierwiastków przedstawioną na rysunk. 4.6 w ciemniejszych polach tabeli, stanowiącej część układu okresowego pierwiastków. Do tej grupy należą także tlenki, siarczki, tellurki i selenki wielu metali. W temperaturze bliskiej zera bezwzględnego wszystkie elektrony v, krysztale są związane z atomami. Aby elektron mógł przedostać się z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa, musi uzyskać tzw. energię aktywacji, która wynosi tyle, co wyrażona w elektronowoltach szerokość pasma wzbronionego. Samoistny półprz ewodnik, taki jak np. krzem, ma energię aktywacji równą około 1,1 ev. Jednak w temperaturze pokojowej (ok. 300 K) średnia energia ruchu termicznego to tylko 0,026 ev, więc nadal tylko nieliczne elektrony o wyjątkowo wysokiej energii mogą przeskoczyć" przerwę zabronioną i dlatego pasmo przewodnictwa w krzemie jest prawie puste. Półprzewodnik zachowuje się wtedy jak izolator. W wyższych temperaturach liczba elektronów w paśmie przewodnictwa rośnie, więc opór półprzewodnika maleje. Najszersze zastosowanie w produkcji przyrządów półprzewodnikowych znalazł krzem, między innymi ze względu na jego powszechne występowanie. Sieć krystaliczna krzemu jest tak zbudowana, że każdy atom, mając cztery elektrony walen-cyjne, ma równocześnie czterech sąsiadów rozmieszczonych w wierzchołkach czworościanu foremnego (rys. 4.7 a), z którymi jest powiązany za pomocą par elektronów wspólnych dla sąsiadujących atomów, tworzących tzw. wiązania kowalencyjne. Taki czworościan z charakterystycznym układem atomów tworzy tzw. komórkę elementarną. Zbiór komórek elementarnych, ułożonych względem siebie równolegle i ściśle wypełniających przestrzeń, buduje trójwymiarową sieć krzemu. Na rysunku 4.37 b przedstawiono rzut prostokątny sieci przestrzennej na płaszczyznę kartki. W dalszej części podręcznika będziemy się posługiwali takim płaskim schematem sieci krystalicznej. Półprzewodniki domieszkowe (niesamoistne) W omawianych półprzewodnikach samoistnych zakładaliśmy istnienie doskonałej regularnej struktury. W rzeczywistości w sieci krystalicznej mogą występować różne defekty w postaci tzw. atomów międzywęzłowych, braku atomów w poszczególnych węzłach sieci, czyli luk, oraz domieszek, które stanowią atomy innego pierwiastka zastępujące atomy pierwiastka podstawowego w węzłach sieci. Nieregularności w sieci krystalicznej półprzewodnika, wynikające z niedoskonałości procesu technologicznego noszą nazwę zanieczyszczeń, natomiast te, które wprowadza się celowo, nazywamy domieszkami. Okazuje się, że domieszki atomów obcej substancji zmieniają dramatycznie własności elektryczne półprzewodników i to właśnie zjawisko zostało wykorzystane przez współczesną elektronikę. Jeśli do fazy ciekłej danej substancji wprowadzimy domieszkę atomów innej substancji, to w procesie krystalizacji obce atomy mogą zajmować miejsca w węzłach sieci krystalicznej w podobny sposób, jak atomy macierzyste. Kryształy półprzewodnikowe zawierające w 2
poszczególnych węzłach sieci wtrącone obce atomy nazywają się półprzewodnikami domieszkowanymi. Kiedy w takim krysztale umieścimy atom z pięcioma elektronami walencyjnymi (atomy należący do V grupy układu okresowego, np. arsen), piąty elektron nie weźmie udziału w wiązaniu kowalencyjnym i będzie słabo związany z jądrem, dlatego potrzeba niewielkiej energii do zerwania tego wiązania (rys. 4.8). Taki elektron znajduje się w stanie o energii tuż poniżej pasma przewodnictwa, na które może łatwo wskoczyć", jeśli uzyska dość energii termicznej (rys. 4.9). Tak więc ten nadmiarowy" elektron może swobodnie poruszać się w krysztale. Skoro elektrony mają ujemny ładunek, więc taki półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typują (od pierwszej litery angielskiego słowa negative- ujemny), a atom domieszki zaopatrujący sieć krystaliczną w elektron swobodny nazywa się donorem (z łac. donare-dawać, dostarczać). Jeżeli krzem domieszkujemy atomami o trzech elektronach walencyjnych (atomy należące do III grupy układu okresowego, np. ind), wtedy jedno z wiązań atomu domieszkowego z sąsiadującym atomem sieci będzie niepełne, pojawi się brak jednego elektronu, czyli tzw. dziura w rozkładzie ujemnie naładowanych elektronów (rys. 4.10). Elektron walencyjny z sąsiedniego atomu krzemu może wypełnić tę dziurę, tworząc jon ujemny indu, ale wtedy zostawi nową dziurę w miejscu, gdzie się pierwotnie znajdował. Dziura może się więc poruszać podobnie jak elektron, a skoro odpowiada brakowi ujemnie naładowanego elektronu, zachowuje się jak nośnik dodatniego ładunku. Zakłócenie sieci krystalicznej krzemu atomami się pierwotnie znajdował. Dziura może się więc poruszać podobnie jak elektron, a skoro odpowiada brakowi ujemnie naładowanego elektronu, zachowuje się jak nośnik dodatniego ładunku. Zakłócenie sieci krystalicznej krzemu atomami domieszkowymi z III grupy powoduje powstanie w jego paśmie zabronionym lokalnych poziomów energetycznych, położonych zaledwie o kilka setnych części elektrono-wolta powyżej pasma podstawowego (rys. 4.11). Swobodne elektrony mogą przeskakiwać na te poziomy, pozostawiając w paśmie walencyjnym dziury. Pod wpływem pola elektrycznego elektrony te mogą poruszać się ruchem uporządkowanym, co jest równoznaczne z ruchem dziur w przeciwną stronę. Taki półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem typu p (od angielskiego słowa positive - dodatni), a atom domieszki zaopatrujący sieć krystaliczną w dziury przez wychwycenie elektronów nazywa się akceptorem (z łac. accipere - brać, przyjmować). Złącze p-n, dioda półprzewodnikowa Diodę stanowią dwa półprzewodniki, jeden typu n, drugi typu p, zetknięte ze sobą. Układ taki nazywamy złączem p-n. Rysunek 4.12 pokazuje symbol diody półprzewodnikowej. Na rysunku 4.13 mamy przedstawiony w przekroju fragment kryształu, którego jedna część wykazuje przewodnictwo dziurowe (typ p), a druga - elektronowe (typ n). Przed zetknięciem każdy z obszarów jest elektrycznie obojętny, ponieważ w półprzewodniku typu p ładunek dziur jest skompensowany przez ładunek ujemnych jonów akceptora, a w półprzewodniku typu n ładunek swobodnych elektronów jest skompensowany przez ładunek dodatnich jonów donora. Po zetknięciu, w pobliżu styku takich dwóch obszarów występuje duża różnica w koncentracji swobodnych elektronów po obu stronach złącza. Skoro struktura kryształu jest ciągła, przez granicę zetknięcia obu obszarów elektrony mogą przechodzić z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p, dzięki zjawisku dyfuzji. Z kryształu typu p do kryształu typu n przechodzą dziury. Elektrony (po przejściu) rekombinują z dziurami, a dziury (po przejściu) z elektronami; rekombinacja ta zachodzi w cienkiej warstwie blisko granicy zetknięcia. Ładunek jonów dodatnich i ujemnych po obu stronach granicy nie jest teraz skompensowany ładunkiem nośników przeciwnego znaku. Zatem ładunki dodatnie i ujemne w złączu to ładunki jonów donora i akceptora. W wyniku tego powstaje tzw. 3
warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku; obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru typu n. Powstała różnica potencjałów nosi nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przenoszeniu elektronów (rys. 4.14). Dla typowych złączy krzemowych szerokość warstwy zaporowej waha się granicach od 0,l/<m aż do O.S/im, a bariera potencjału może mieć w temperaturze pokojowej wartość od 0,1V do 0,3V i zmniejsza się przy wzroście temperatury o ok. 2,3 mv/k Na rysunku 4.15 pokazano dwa sposoby podłączenia diody do obwodu elektrycznego. Jeśli do złącza przyłożymy zewnętrzne napięcie tak, że dodatni biegun źródła napięcia połączony jest z obszarem p, a ujemny z obszarem n, to zmniejszymy wewnętrzną różnicę potencjałów i w efekcie elektrony przyciągane przez biegun dodatni źródła będą przeskakiwać" barierę potencjału z n do p (zauważ, że dziury będą dążyć w kierunku przeciwnym z p do n). Przeskakujące nośniki ładunku rekombinują z nośnikami przeciwnego rodzaju, tzn. elektrony wypełniają dziury w półprzewodniku p, natomiast dziury w półprzewodniku n są zapełniane przez elektrony. Wskutek tego przez złącze popłynie prąd, którego nośnikami będą elektrony i dziury poruszające się w kierunkach przeciwnych. Mówimy, że takie napięcie polaryzuje diodę w kierunku przewodzenia. Jeśli diodę podłączymy do obwodu odwrotnie, tzn. obszar p połączymy z ujemnym biegunem źródła, a obszar n z dodatnim, to elektrony i dziury będą odciągane od złącza. Wskutek tego warstwa zaporowa poszerzy się; jej opór elektryczny wzrośnie. Prąd płynący przez złącze jest w tym przypadku bardzo słaby. Mówimy, że takie napięcie polaryzuje diodę w kierunku zaporowym. Omówione zjawiska można zilustrować wykresem przedstawiającym zależność natężenia prądu płynącego przez złącze p-n od przyłożonego do tego złącza napięcia zewnętrznego, czyli tzw charakterystykę statyczną diody półprzewodnikowej (rys. 4.16). Część wykresu położona w pierwszej ćwiartce układu współrzędnych odnosi się do sytuacji, gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, natomiast pozostała część wykresu do sytuacji, gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku zaporowym. W drugim przypadku Rys. 4.16 przez złącze płynie słaby prąd, tzw. prąd wsteczny. Przy wzroście napięcia zewnętrznego, polaryzującego diodę w kierunku zaporowym, pojawia się taka jego wartość, przy której na skutek silnego pola elektrycznego gwałtownie wzrasta natężenie prądu płynącego przez złącze i warstwa zaporowa ulega trwałemu uszkodzeniu (zjawisko przebicia). Reasumując można powiedzieć, że dioda półprzewodnikowa funkcjonuje tak, jak zawór jednokierunkowy, tzn. wykazuje bardzo duży opór, jeśli jest spolaryzowana w kierunku zaporowym i znikomy opór, jeśli jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia. Oczywiście zależność / od U nie jest liniowa - do diody nie stosuje się prawo Ohma. Zastosowania diody półprzewodnikowej Opisane własności diody stanowią ojej zastosowaniach między innymi w tzw. prostownikach, których zadaniem jest prostowanie, czyli proces zamiany prądu przemiennego na stały. Jest to szczególnie istotne w praktyce, gdyż funkcjonowanie ogromnej większości urządzeń elektronicznych wymaga prądu stałego, jeśli więc zasilamy je z sieci prądu przemiennego, konieczne są odpowiednie prostowniki. Najprostszym układem prostowniczym jest tzw. układ jednopołówkowy, w którym stosowana jest tylko jedna dioda (rys. 4.17). Jak pokazano na rysunku, tylko dodatnia część sygnału przechodzi przez diodę i na wyjściu układu otrzymujemy napięcie pulsujące. Gdy do układu podłączymy tylko kondensator (rys. 4.18), to wtedy na wyjściu otrzymamy stałe napięcie, bo układ nie jest obciążony (do wyjścia 4
układu nie podłączono żadnego urządzenia) i prąd nie jest pobierany. Po obciążeniu wyjścia układu przez podłączenie jakiegoś urządzenia o oporze ff(rys. 4.19), w przerwach między dodatnimi półokresami napięcia kondensator będzie częściowo rozładowywany. W takim przypadku napięcie wyjściowe ma stały znak, ale nadal zmienną wartość, czyli otrzymujemy tzw. tętnienie, które można jednak zmniejszyć, stosując kondensator o bardzo dużej pojemności elektrycznej. Niestety napięcie wyjściowe silnie zależy od oporu elektrycznego urządzenia podłączonego do wyjścia, co jest istotną wadą tego typu prostowników i dlatego w praktyce stosuje się układy dwu-połówkowe. Schemat takiego prostownika przedstawiono na rysunku 4.20. Układ zawiera dwie diody i specjalny transformator mający uzwojenie wtórne z przewodem włączonym w połowie uzwojenia wtórnego, tzw. odczepem. Napięcia występujące na końcach uzwojeń są w przeciwnej fazie (fazy przesunięte o 180 ). Oznacza to, że w chwili, gdy na jednej części uzwojenia wtórnego pojawia się połówka sinusoidy dodatnia względem odczepu środkowego, to na drugiej części pojawia się połówka ujemna względem tego odczepu. W czasie trwania pierwszej połowy okresu napięcia wejściowego przewodzi dioda D ± i prąd płynie przez górną część uzwojenia transformatora. W czasie trwania drugiej połowy okresu napięcia wejściowego przewodzi dioda D 2 i prąd płynie przez dolną część uzwojenia wtórnego. Aby je wygładzić", dodaje się kondensator, tak jak w przypadku prostowników jednopołówkowych. Oprócz funkcji prostowniczych diody mogą jeszcze pełnić w obwodach elektronicznych także inne funkcje, takie jak np.: detekcyjna w radioodbiornikach, polegająca na wydzielaniu sygnałów niskiej, akustycznej częstotliwości z sygnałów wysokiej częstotliwości; stabilizacyjna w układach zasilaczy (diody Zenera), polegająca na utrzymaniu stałego napięcia elektrycznego na wyjściu tych urządzeń; strojeniowa w telewizorach i odbiornikach radiowych (diody pojemnościowe, w których złącze p-n zmienia pojemność elektryczną zależnie od napięcia polaryzującego); sterująca w obwodach elektronicznych (tyrystory i triaki - diody wyposażone w dodatkową elektrodę sterującą, tzw. bramkę; przewodzenie prądu przy polaryzacji złącza w kierunku przewodzenia następuje dopiero wtedy, gdy bramka otrzyma odpowiedni impuls elektryczny; triaki przewodzą prąd przy dowolnej polaryzacji i dzięki temu mogą być stosowane w regulatorach prądu przemiennego, np. w domowych ściemniaczach). Ciekawym elementem półprzewodnikowym jest dioda elektroluminescencyjna, tzw.dioda LED, zwana również świecącą (ang. LED - Light Emitting Diodę) zaliczana obecnie do najpopularniejszych elementów optoelektronicznych stosowanych w 5
wyświetlaczach budzików cyfrowych oraz w radioodbiornikach, systemach audio i wideo czy komputerach. Na rysunku 4.21 przedstawiono budowę typowej diody świecącej oraz jej symbol graficzny. Jaki jest mechanizm emisji światła? Aby odpowiedzieć na to pytanie, musimy wrócić jeszcze raz do teorii pasmowej półprzewodników. Wiesz już, że w przypadku, gdy dioda jest spolaryzowana w kierunku przewodzenia, to nośniki prądu (elektrony i dziury) uzyskują energię elektryczną ze źródła zewnętrznego i są wstrzykiwane" przez złącze p-n, a następnie rekombinują z nośnikami przeciwnego rodzaju. Przeskok elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa wymaga pewnej energii powodującej generację pary elektron-dziura. Jeśli elektron, w procesie odwrotnym, spada w dół z pasma przewodnictwa, aby wypełnić dziurę w paśmie walencyjnym, to energia jest oddawana i w zwykłych złączach p-n powoduje wzrost energii wewnętrznej diody. W diodach LED część tej energii zamienia się w energię świetlną i jest emitowana na zewnątrz złącza w postaci fotonów. Długość fali światła zależy od energii emitowanych fotonów, a ta z kolei zależy od szerokości pasma zabronionego. Większość emitowanych fotonów nie dochodzi do powierzchni diody, gdyż materiał półprzewodnikowy jest nieprzeźroczysty, dlatego obszary n i p powinny być bardzo cienkie, tak by złącze p-n znajdowało się możliwie najbliżej powierzchni diody; w praktyce jeden z półprzewodników tworzących złącze ma grubość zaledwie 1 m. Diody elektroluminescencyjne mogą pracować w sposób ciągły, ale w praktyce najczęściej odbywa się to impulsowo. Jeśli częstotliwość impulsów jest odpowiednio duża (powyżej 50 Hz), wtedy dzięki bezwładności wzroku powstaje wrażenie ciągłego świecenia. Taki sposób pracy pozwala na zwiększenie natężenia prądu płynącego przez diodę bez obawy uszkodzenia złącza p-n wskutek przegrzania się, np. dioda pracująca impulsowo, przez którą przepływa prąd o natężeniu dwukrotnie większym od natężenia prądu płynącego przez diodę działającą w sposób ciągły będzie świeciła jaśniej, przy tym samym wzroście energii wewnętrznej. Diody LED są tanie, bardziej odporne na wstrząsy i mają zdecydowanie dłuższą żywotność w porównaniu ze zwykłymi żaróweczkami, dlatego coraz częściej zastępują te ostatnie w praktycznych zastosowaniach. W rozdziale poświęconym złączu p-n nie sposób też pominąć ogniw fotoelektrycznych, powszechnie zwanych bateriami słonecznymi, które przekształcają energię świetlną wprost na energię elektryczną. Na rysunku 4.22 pokazano budowę typowego krzemowego ogniwa fotoelektrycznego i jego symbol graficzny. Takie ogniwo wykonuje się z półprzewodnika typu p pokrytego warstwą półprzewodnika typu n o grubości tylko 1 m, a więc wystarczająco cienką, aby móc łatwo przepuścić światło dochodzące do warstwy zaporowej. Zaabsorbowane fotony dostarczają elektronom z pasma podstawowego energię wystarczającą na przejście do pasma przewodnictwa, przy czym w paśmie podstawowym pozostaje dziura. Zatem w warstwie zaporowej tworzą się dodatkowe nośniki prądu (elektrony i dziury) i pod wpływem wewnętrznego pola elektrycznego w warstwie następuje dyfuzja dziur do obszaru p półprzewodnika, a elektronów do obszaru n. Elektrony, które przeszły do obszaru n ładują tę część półprzewodnika ujemnie, natomiast dziury ładują obszar p półprzewodnika dodatnio. Pomiędzy obiema częściami półprzewodnika powstaje więc różnica potencjałów, powodująca polaryzację złącza p-n w kierunku przewodzenia. Takie zjawisko nazywa się zjawiskiem fotoelektrycznym wewnętrznym. Jeśli obszary p i n połączymy przewodem na zewnątrz ogniwa to popłynie prąd w kierunku przeciwnym do kierunku przewodzenia diody. Tranzystor Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym pozwalającym sterować przepływem prądu w obwodach elektrycznych. Jego angielska nazwa transistor pochodzi od słów transfer- przekaz i resistor- opornik. Elementarna struktura tzw. tranzystora bipolarnego stanowi układ trzech stykających się warstw półprzewodnikowych, kolejno n-p-n (tranzystor typu n) lub p-n-p (tranzystor typu p). Te warstwy epitaksjalne (od greckich słów epi" czyli na" i taxis" czyli ułożone") tworzy się tak, aby zachować strukturę monokrystaliczną. Zasadę działania przedstawimy na przykładzie tranzystora n-p-n. Na rysunku 4.23 przedstawiono obwód takiego tranzystora. Obszar typu n (z lewej strony) nosi nazwę emitera, czyli obszaru wprowadzającego nośniki (w tym przypadku elektrony) do obszaru bazy; kolektor jest natomiast końcowym elementem tranzystora, zbierającym nośniki. Emiter jest silnie domieszkowany, więc 6
jest bogaty w ruchome nośniki ładunków i ma mały opór elektryczny. Bardzo cienka baza jest lekko domieszkowana podobnie jak znacznie szerszy kolektor. Podczas pracy tranzystora jego elektrody są podłączone do źródeł napięć tak, by emiter miał potencjał ujemny, a kolektor dodatni w stosunku do bazy, wówczas złącze na granicy emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącze na granicy baza-kolektor odwrotnie, czyli w kierunku zaporowym. W efekcie elektrony płyną swobodnie z emitera do bazy, co powoduje, że w różnych miejscach bazy występuje różna liczba elektronów; w pobliżu emitera jest ich więcej niż w pobliżu kolektora. Taki rozkład ładunku w bazie sprzyja dyfuzji elektronów w kierunku kolektora. Ze względu na małą szerokość bazy, zaledwie nieliczne elektrony wypełniają dziury w jej obszarze (czas rekombinacji dziur w bazie jest znacznie dłuższy niż czas ich dyfuzji przez bazę), natomiast znaczna większość dociera do złącza między bazą a kolektorem i może przez to złącze przeskakiwać, gdyż jest wciągana" przez kolektor (potencjał kolektora jest wyższy od potencjału bazy). Gdy w bazie zmniejszy się liczba dziur, to w efekcie skumuluje się tam ujemny ładunek, który hamuje dopływ elektronów z emitera do bazy (i w konsekwencji do kolektora). Stosunkowo niewielki ładunek zgromadzony na bazie może zatem silnie ograniczać duży prąd z emitera do kolektora I K, którego przepływ mogło zapewnić zewnętrzne źródło napięcia. Dostarczenie dziur do bazy tranzystora (usunięcie z niej elektronów) może się odbyć przez zwiększenie napięcia zewnętrznego przyłożonego do emitera i bazy, co spowoduje obniżenie bariery potencjału na złączu emiter-baza, wtedy znacznie wzrośnie natężenie prądu kolektora I K. Reasumując, natężenie prądu płynącego przez kolektor może być regulowane przez niewielką zmianę napięcia polaryzującego złącze emiter-baza, czyli przez zmianę nawet bardzo słabego prądu płynącego przez bazę. Ze względu na swoje własności tranzystor jest podstawowym elementem tzw. wzmacniaczy, czyli układów, w których słaby wejściowy prąd sygnału jest wzmacniany w postaci prądu wyjściowego o identycznym kształcie.impulsu, ale o znacznie większym natężeniu. Na rysunku 4.24 przedstawiono schemat najprostszego jednotranzystorowego wzmacniacza, pracującego w tzw. układzie wspólnej bazy. Mikrofon wysokiej jakości wytwarza napięcie rzędu zaledwie kilku dziesiątych mikrowolta lub mniej. Takie znikome napięcie jest o wiele za niskie, aby wywołany przez nie prąd był w stanie uruchomić słuchawki czy głośnik. Sygnały wytwarzane przez mikrofon są więc najpierw kierowane do wzmacniacza i dopiero po ich odpowiednim wzmocnieniu mogą być dalej wykorzystane do zasilania głośnika. W praktyce wzmacniacze stanowią złożone układy elektroniczne, zbudowane nie tylko z tranzystorów, ale także z innych elementów, takich jak oporniki, cewki czy kondensatory. 7