Dispozitive semiconductoare

Sint folosite în ultimul timp pe scară largă în montajele radio. Germaniul şi siliciul constituie cele mai utilizate materiale semiconductoare în electronică. Cum ne este cunoscut, pentru a obţine electroni intr-un tub electronic trebuie să încălzim catodul, adică să consumăm o energie electrică relativ însemnată. După ce am scos electronii în afara catodului, aceştia “pot fi puşi la lucru” numai dacă se consumă o altă energie electrică. In semiconductoare însă electronii “pot fi puşi la lucru” chiar în interiorul acestora, fără a-i mai scoate în spaţiul liber, economisind astfel energia necesară pentru încălzirea catodului. Trebuie să consumăm energie numai pentru a realiza cu electronii exact ceea ce se realiza şi la tubul electronic.

Posibilităţile de a modifica proprietăţile semiconductoarelor, în sensul dorit de noi, conduc la o serie de construcţii de dispozitive cum sînt diodele semiconductoare, tranzistoarele, etc.

Dioda semiconductoare.

Unul din cele mai simple elemente semiconductoare — echivalent diodei cu vid — este dioda semiconductoare, formată din două cristale de tip diferit (p şi n) aflate în contact ; suprafaţa de contact poartă numele de joncţiune sau regiune de trecere (fig. 14). Conductibilitatea electrică a semiconductoarelor se bazează pe aplicarea din afară a unei energii capabile să realizeze trecerea electronilor peste zona interzisă (joncţiune). In acest caz electronii devin liberi şi se pot deplasa sub acţiunea câmpului electric; astfel apare conductibilitatea electronică a semiconductorului. In locul de unde a plecat un electron se formează un gol electronic ce produce o deplasare a altui electron, care umple golul format. Am putea spune că are loc o deplasare a golurilor.

Conductibilitatea semiconductoarelor este mult influenţată de neomogenitatea sau defectele reţelei cristaline. Neomogenitatea cristalului se obţine prin introducerea de impurităţi în structura acestuia. Dacă se folosesc ca impurităţi particule de arseniu, bismut, etc., care fac parte dintr-o grupă superioară ca valenţă substanţei semiconductorului în semiconductor apare o conductibilitatea electrică. In acest caz impuritatea se numeşte donoare, iar semiconductorul este de tip n (negativ).Cind se utilizează ca impurităţi un element dintr-o grupă inferioară ca valenţă substanţei semiconductorului (de exemplu, bor, aluminiu otc.) in semiconductor apar goluri care produc o conductibilitatea prin goluri. In acest caz impuritatea poartă denumirea de acceptoare, iar semiconductorul este de tip p (pozitiv).

Folosind semiconductoarele de tip n şi p se obţin dispozitive ca diodele semiconductoare şi tranzistoarele. In practică dioda semiconductoare este utilizată ca diodă redresare, adică se foloseşte proprietatea ei de a conduce curentul atunci cînd este polarizată în sens direct şi ele a opune o rezistenţă mare, deci de a nu conduce curentul, când este polarizată în sens invers. Dioda semiconductoare se obţine dintr-un singur cristal in a cărui masă se creează prin tratare două regiuni distincte (p şi n), separate între ele, cristalul respectiv având aceeaşi structură mono cristalină în ambele regiuni. Tensiunea inversă maximă este acea tensiune care aplicată diodei creează un curent maxim prin
aceasta fără a o distruge datorită încălzirii.

Diodele redresoare pot avea cristalul semiconductor din siliciu sau germaniu. De reţinut că cele cu siliciu suportă tensiuni inverse de 400-500 V, pe cînd cele cu germaniu de maximum 100 V. Din caracteristica curent — tensiune a diodei redresoare EFR-105 (fig. 15) rezultă un curent invers foarte mic în comparaţie cu cel direct, încît practic poate fi neglijat şi se consideră că dioda semiconductoare conduce curentul numai intr-un singur sens, şi anume în sensul polarizării directe.

Un alt tip de diodă semiconductoare este dioda detectoare cu joncţiune sau cu contact punctiform.

Diodele detectoare cu joncţiune se deosebesc de cele folosite în redresare; ele au aria joncţiunii foarte mică, ceea ce este absolut necesar pentru lucrul în domeniul frecvenţelor înalte. Diodele detectoare cu contact punctiform sînt alcătuite dintr-un cristal semiconductor, pe suprafaţa căruia se creează un contact punctiform cu ajutorul unui vârf metalic ascuţit, confecţionat, de regulă, din wolfram.

Tranzistorul (trioda semiconductoare).

Fără amplificare nu ar putea exista aparate de radiorecepţie şi de televiziune, staţiile de emisie de radiodifuziune, telefonia la mare distanţă etc., într-un cuvânt nu s-ar putea vorbi de electronică. Unul din cele mai bune elemente care permite realizarea amplificării este tranzistorul. In acest dispozitiv efectul de amplificare se obţine prin utilizarea electronilor din corpul solid. Tranzistorul, neavînd filament, este mai eficient decât tubul electronic şi are o durată de funcţionare incomparabil mai mare. El este un dispozitiv semiconductor alcătuit din două joncţiuni, pn şi np. De asemenea, tranzistorul poate fi considerat că este format din trei cristale in contact, cristalul din mijloc fiind de tip opus cristalelor de la extremităţi (fig. 16)

In funcţie de ordinea aşezării celor trei cristale se deosebesc tranzistoare pnp şi tranzistoare npn. Cele mai folosite tranzistoare sînt cele de tipul pnp, a căror reprezentare grafică (convenţională) este dată în figura 17.

Tranzistoarele sînt dispozitive analoage tuburilor triode cu vid şi pot fi folosite în principiu în schemele radio cu aceleaşi funcţii ca şi triodele. Desigur pentru a funcţiona într-o schemă radio tranzistorul trebuie alimentat (fig. 18).

In construcţia cristalului pnp trebuie să se ţină seama şi de următoarele elemente :
— cristalul central (baza) este dotat cu o cantitate de impurităţi mult mai mică decât cristalele de la extremităţi, iar grosimea sa este foarte mică în comparaţie cu celelalte două ;
— una din joncţiuni (E) se polarizează direct cu o diferenţă de potenţial mică (fracţiuni de volt pentru tranzistoarele de putere mică şi volţi pentru cele de putere mare).

De precizat că cristalul polarizat direct se numeşte emitor, pentru că generează (asemănător catodului de la tubul electronic) purtători de sarcină. Cea de a doua joncţiune, numită colector, se polarizează invers cu diferenţa de potenţial relativ mare (de ordinul volţilor la tranzistoarele de putere mică şi de ordinul zecilor de volţi la cele de putere mare); acest cristal colectează purtătorii de sarcină generaţi de emitor.

Intr-un montaj electronic joncţiunea emitorului (emitor-bază) reprezintă circuitul de intrare in tranzistor, pe care se aplică semnalul, iar joncţiunea colectorului (colector — bază) — circuitul de ieşire, în care se obţine semnalul ce a fost introdus în tranzistor.
Funcţionarea tranzistorului se explică astfel :
— dacă se negativează colectorul faţă de bază (fig. 18), adică se polarizează joncţiunea bază- colector în sens invers conducţiei, prin aceasta va trece un curent foarte mic (de ordinul microamperilor) atit timp cît emitorul şi baza rămân nepolarizate ;
— cînd însă se pozitivează emitorul faţă de bază cu o diferenţă de potenţial destul de mică (în comparaţie cu cea aplicată colectorului), prin joncţiunea emitor-bază va circula un curent mare. Acest curent este generat de sarcinile pozitive injectate de emitor, care vor trece (difuza) prin bază, fiind atrase de colectorul negativat;
— dacă prin construcţie, cristalul-bază este suficient de subţire, cea mai mare parte din curentul injectat de emitor trece spre colector şi numai o mică parte se va închide prin bază.

In concluzie, curentul din circuitul colectorului este determinat de curentul emitorului. Ca urmare, se obţine o amplificare a semnalului de la circuitul emitorului la circuitul colectorului. Raportul dintre curentul de colector şi curentul de emitor se numeşte coeficient de amplificare in curent al tranzistorului şi se notează cu alfa . Rezultă că:unde alfa are valori cuprinse între 0,92 şi 0,99.