В электронике, к наиболее типичным полупроводниковым приборам и элементам относятся: полупроводниковый диод, транзистор и тиристор.

Полупроводниковый диод

Полупроводниковым диодом называют прибор с одним p-n- переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода. Он состоит из двух частей: полупроводника с дырочной проводимостью (р) и полупроводника с электронной проводимостью (n).

Полупроводниковый диод обладает свойством односторонней проводимости и служит для выпрямления переменного тока.

Различают прямую и обратную полярности включения диода. При прямой полярности включения диода (+) источника подключен к полупроводнику с дырочной проводимостью (р), а (-) источника – к полупроводнику с электронной проводимостью (n). При этом через диод протекает прямой ток (диод открыт). При подключении (-) источника к полупроводнику с (р) проводимостью, а (+) источника к полупроводнику с (n) проводимостью (обратная полярность включения), диод закрыт (прямой ток не течет).

Небольшой обратный ток, протекающий через диод, обусловлен движением неосновных носителей заряда. Для выпрямления переменного тока с помощью полупроводниковых диодов применяют однофазные и трехфазные выпрямители.

Рассмотрим простейшую схему однополупериодного выпрямления, в которой один диод включен последовательно с приемником постоянного тока в сеть переменного тока (рис.26).

В этой схеме диод (вентиль) пропускает ток только в одном направлении в положительные полупериоды входного напряжения (рис.27). Тогда соблюдаются условия прямой полярности включения, то есть (+) подключен к (р), а (-) к (n).

рис. 26

рис. 27

Выпрямленное данной схемой напряжение является пульсирующим с высоким коэффициентом пульсации (К_n=1,57).

Снижение коэффициента пульсации может быть получено за счет применения более совершенных схем выпрямления или сглаживающих фильтров (рис.28, а, б, в).

Рис. 28. Варианты схем сглаживающих фильтров.

В качестве сглаживающих фильтров используют конденсаторы, включаемые параллельно нагрузке, или индуктивные катушки, включаемые последовательно нагрузке. Более сложные фильтры представляют собой сочетания перечисленных схем.

При использовании в качестве фильтра конденсатора, он сначала накапливает электрическую энергию, заряжаясь до амплитудного значения напряжения сети, а при снижении напряжения отдает энергию в нагрузку, поддерживая величину выпрямленного напряжения.

Уменьшить коэффициент пульсации можно также с помощью однофазной мостовой схемы выпрямителя (рис.29).

Рис. 29

Данная схема позволяет выпрямить обе полуволны синусоиды, при этом в каждом полупериоде диоды, включенные в мост, работают попарно (В₁-В₂; В₃-В₄). На нагрузке образуются полуволны напряжения одного и того же знака.

Биполярный транзистор

Биполярным транзистором называют электропреобразовательный прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.

В биполярных транзисторах ток определяется движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок. В соответствии с чередованием участков с различной электропроводностью биполярные транзисторы подразделяются на два типа: p-n-p и n-p-n (см. рис.30).

Рис. 30 Структура биполярных транзисторов типов p-n-p (а) и n-p-n (б)

Обозначение биполярного транзистора приведено в разделе 2. У транзисторов средний слой называют базой (Б), наружный слой, являющийся источником носителей заряда – эмиттером (Э).

Другой наружный слой называют коллектором (К). Он принимает носители заряда, поступающие от эмиттера.

На p-n переход эмиттер-база напряжение подается в прямом направлении (прямая полярность), на переход коллектор-база — в обратном направлении (обратная полярность).

Биполярные транзисторы широко применяются в различных типах усилителей, генераторов в логических и импульсных устройствах.

Полевой транзистор

Полевым транзистором называют электропреобразовательный прибор, в котором ток канала управляется электрическим полем, возникающим с приложением напряжения между затвором и истоком. Каналом называют центральную область транзистора.

Исток (И) это электрод, из которого в канал входят основные носители заряда. Сток (С) это электрод, через который основные носители уходят из канала. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором (З).

Условное обозначение полевого транзистора

Тиристор это полупроводниковый прибор с тремя и более p-n переходами. Он подобен бесконтактному выключателю, включаемому с помощью небольшого управляющего тока. Условное обозначение тиристора в схемах

(УЭ – управляющий электрод).

Современная промышленность выпускает тиристоры на токи от нескольких ампер до нескольких сотен ампер. Их широко используют в управляемых выпрямителях, инверторах (преобразователях постоянного тока в переменный) преобразователях частоты, бесконтактных схемах управления электроприводами.

Усилителем называют устройство, которое позволяет увеличивать без искажения мощность слабого сигнала за счет дополнительного источника энергии, питающего усилитель.

Свойства усилителя характеризуются коэффициентами усиления по напряжению, току и мощности. Коэффициентом усиления по напряжению К_u называют отношение напряжения сигнала на выходе усилителя к напряжению сигнала на его входе:

Генератором называют автоколебательную систему, в которой энергия источника питания преобразуется в энергию колебаний. Форма колебаний определяется спектром генерируемых частот.

Генераторы синусоидальных колебаний выполняют двух типов:
LC – генератор или RC – генератор. В основе LC — генератора лежит колебательный контур, с его помощью получают синусоидальные колебания в диапазоне частот от нескольких десятков килогерц до сотен мегагерц.

Логические элементы

Логические элементы вместе с запоминающими элементами составляют основу устройств цифровой (дискретной) обработки информации — вычислительных машин, цифровых измерительных приборов и устройств автоматики. Логические элементы выполняют простейшие операции над цифровой информацией, а запоминающие элементы служат для ее хранения.

Логические элементы обычно строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.

В современной электронике процесс миниатюризации электронных устройств, повышение их сложности и надежности осуществляется посредством применения полупроводниковых интегральных микросхем.

В отличие от гибридных интегральных микросхем, которые состоят из различных элементов – тонкопленочных резисторов, конденсаторов, транзисторов – полупроводниковые интегральные микросхемы состоят обычно из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. Полупроводниковые интегральные микросхемы помещают в металлический или пластмассовый корпус.