Рассмотрим устройство и работу других полупроводниковых приборов.
Полупроводниковые приборы, имеющие три слоя полупроводников, разделенных
двумя запирающими слоями, и три электрода, называют триодами, или чаще
транзисторами. Один из видов транзисторов, схема которого показана на
рис. 235, а, представляет собой тонкую пластину
монокристаллического германия с вплавленными в нее с двух сторон
столбиками из индия.
В пластине германия на границе с индием образуются два р-n перехода,
обладающих запирающими свойствами. Следовательно, германиевый триод
состоит из крайних слоев с р-проводимостью и среднего с n-проводимостью.
Такой прибор получил название транзистора типа р-n-р, К каждому слою
присоединяют электроды — вывод для соединения с внешней цепью.
Соберем электрическую схему, показанную на рис. 235, а. Один из крайних
слоев транзистора (левый) соединим с источником постоянного тока в
проводящем направлении его перехода. Этот слой при работе прибора
является основным источником носителей электрических зарядов и получил
название эмиттера. Средний
слой германиевой пластины с п-проводимостью
называют базой. Второй крайний слой транзистора соединим с другим
источником постоянного тока в непроводящем направлении прилегающего к
нему перехода.
Носители заряда, испускаемые эмиттером, проходят через базу, переход р-п
и поступают в слой коллектора. Таким образом, коллектор является
собирателем носителей заряда, обеспечивающих прохождение тока в цепи
второго источника тока. При этом источник электрической энергии в цепи
коллектора имеет э.д.с. Ек, которая во много раз превосходит э.д.с. Еэ
источника энергии в цепи эмиттера. Небольшая э.д.с. Еэ вполне достаточна
для создания тока необходимого значения в цепи эмиттера, так как прямое
сопротивление его перехода является ничтожным. При отсутствии тока
эмиттера
Рис. 235. Схемы транзисторов и их условные
обозначения:
а — транзистор типа р-n-р; б — транзистор типа n-р-n
практически не будет протекать ток и в цепи
коллектора из-за большого обратного сопротивления перехода в ней. Если с
помощью регулируемого резистора увеличивать ток Iэ в цепи эмиттера, то
возрастает число носителей заряда, испускаемых эмиттером, и повышается
сила тока Iк в цепи коллектора. Иными словами, с увеличением тока
эмиттера снижается электрическое сопротивление коллекторного перехода.
Поэтому с помощью маломощной входной цепи эмиттера легко управлять
значительно более мощной выходной цепью коллектора. Электрическая
мощность этих цепей пропорциональна э.д.с. их источников энергии.
В рассмотренной схеме база транзистора является общей для цепей эмиттера
и коллектора, а сам транзистор представляет собой полупроводниковый
усилитель мощности.
В электрических схемах находят применение и два других способа включения
транзистора: с общим
эмиттером и общим коллектором, в зависимости от того, какой электрод
транзистора является общим для входной и выходной электрических цепей.
Например, схема с общим эмиттером обеспечивает наибольшее усиление по
току в выходной цепи.
Кремниевые транзисторы изготавливаются в виде триодов типа n-р-n.
Средний слой транзистора состоит из монокристаллического кремния с
р-проводимостью, два крайних слоя имеют n-проводимость. Поскольку
проводящие направления переходов при этом изменились на противоположные
по сравнению с транзистором типа р-n-р, то необходимо изменить
и полярность включения источников электроэнергии во
входной и выходной цепях (рис. 235, б). Устройство мощного кремниевого
транзистора показано на рис. 236.
Рис. 236. Кремниевый транзистор: а— продольный
разрез; б — общий вид
Рис. 237. Тиристор:
а — общий вид; б — продольный разрез; в — схема; г — условное
обозначение
Способы использования германиевых и кремниевых транзисторов являются
одинаковыми, изменяется лишь схема их включения в электрические цепи с
учетом полярности источников энергии.
Тиристором называется полупроводниковый прибор, состоящий из четырех
слоев полупроводников, разделенных тремя р-n переходами (рис.
237). Входной электрод тиристора называют анодом, выходной — катодом.
Полупроводниковый слой, к которому присоединен электрод управляющего
тока, составляет, как и в транзисторе — базу. Проводящее направление
тиристора — от анода к катоду. Поэтому тиристор своим анодом соединяется
с плюсовым зажимом источника тока, катод — с минусовым. При этом средний
переход П2 включен в непроводящем направлении. Тиристор, как и обычный
диод, практически не пропускает ток внешней цепи, или говорят — тиристор
заперт. Повышая приложенное к тиристору внешнее напряжение, можно
достигнуть критического его значения, когда происходит лавинный пробой
перехода и тиристор отпирается. Во внешней цепи протекает большой силы
ток, ограничиваемый лишь ее сопротивлением. Для правильно
сконструированного тиристора лавинный пробой и большая сила тока не
представляют опасности, так как энергия, выделяющаяся в переходе П2,
весьма мала. При изменении направления
входного напряжения на обратное происходит восстановление первоначальных
свойств перехода П2, и тиристор запирается. Обратное напряжение делится
поровну между переходами П1 и П2, поэтому их пробоя не происходит, и
тиристор практически не пропускает обратного тока. При подаче напряжения
на управляющий электрод базы появляется ток управления, цепь которого
замыкается через катод. Регулируя величину тока управления можно в
широких пределах изменять значение напряжения,, при котором тиристор
открывается. Таким образом, тиристор является управляемым
полупроводниковым вентилем.
Мощность, расходуемая в цепи управления тиристором, составляет 1—2 Вт, а
мощность силовой цепи достигает нескольких сотен киловатт. Поэтому
тиристор представляет собой преобразователь с высоким коэффициентом
полезного действия. Тиристор обладает почти мгновенным быстродействием,
надежен при высокой частоте срабатываний. Применение тиристоров
позволило создать электрические устройства для управляемого выпрямления
переменного тока, преобразования постоянного тока в переменный или
частоты переменного тока.
Тиристорными преобразователями оборудованы опытные, тепловозы для
регулирования частоты тока, питающего асинхронные тяговые
электродвигатели, с целью изменения скорости движения поезда. Тиристоры
широко используются в самых различных устройствах автоматики современных
тепловозов.