Полупроводниковые диоды и транзисторы, область применения. Полупроводниковые диоды и триоды (транзисторы) Полупроводниковые резисторы, диоды, транзисторы

Классификация полупроводниковых приборов и их назначение.

В промышленной электронике используют большое число различных типов полупроводниковых приборов, которые можно разделить на несколько основных групп: 1) полупроводниковые резисторы; 2) полупроводниковые диоды; 3) биполярные транзисторы; 4) полевые транзисторы; 5) тиристоры.

Полупроводниковые резисторы и диоды являются двухэлектродными приборами, биполярные и полевые транзисторы-трехэлектродными приборами. Тиристоры могут быть как двухэлектродными, так и трехэлектродными.

В полупроводниковых резисторах применяют изотропный (однородный) полупроводниковый материал, электрические свойства которого определяют электрические характеристики резистора. В полупроводниковых диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один р-n-переход. Электрические характеристики диода определяются в основном электрическими свойствами p-n-перехода.

В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами электропроводности образуют два р-n -перехода. Электрические характеристики биполярных транзисторов обусловлены электрическими свойствами этих р-п-переходов и существенно зависят от их взаимодействия. Полевые транзисторы основаны на полупроводниках с различными типами электропроводности, которые образуют один р-n -переход. Но в отличие от диодов и биполярных транзисторов электрические характеристики полевых транзисторов зависят от взаимодействия изотропного полупроводникового канала с р-n -переходом.

В тиристорах применяют полупроводники с различными типами электропроводности, которые образуют три или более р- n -перехода. Основные электрические характеристики тиристоров определяются взаимодействием этих р- n -переходов.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют электропреобразовательный полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, имеющий два вывода.

Классификация и условное графическое обозначение полупроводниковых диодов приведены в табл. 2.2. Как видно из таблицы, все полупроводниковые диоды делятся на два класса: точечные и плоскостные.

В точечном диоде используется пластинка германия или кремния с электропроводностью n-типа, толщиной 0,1-0,6 мм и площадью 0,5-1,5 мм 2 ; с пластинкой соприкасается заостренная стальная проволочка (рис, 2.5), образующая р- n -переход в месте контакта.

Вольт-амперные характеристики точечного диода при различных температурах приведены на рис.

Из-за малой площади контакта прямой ток и междуэлектродная емкость таких диодов сравнительно невелики, что позволяет применять их в области очень высоких частот (СВЧ-диоды). Точечные диоды служат в основном для выпрямления переменного тока (выпрямительные диоды).

В плоскостных диодах р-n -переход образуется двумя полупроводниками с различными типами электропроводности, причем площадь перехода у различных типов диодов лежит в пределах от сотых долей квадратного миллиметра (микроплоскостные диоды) до нескольких десятков квадратных сантиметров (силовые диоды).

По способу внесения примесей диоды делят на сплавные и диффузионные.

Электрические характеристики плоскостного диода определяются характеристиками р-n -перехода. В зависимости от назначения диода в нем используются те или иные характеристики р-n –перехода.

Рассмотрим более подробно типы и характеристики различных плоскостных диодов.

Выпрямительный диод- полупроводниковый прибор, в котором так же, как и в точечном диоде, используются выпрямительные свойства р-n -перехода.

Конструкция мощного выпрямительного диода показана на рис. 2.7. Маломощные выпрямительные диоды, а также выпрямительные диоды, предназначенные для работы в высокочастотных и импульсных цепях, имеют, как правило, конструкцию, аналогичную точечным диодам.

Вольтамперная характеристика мощного выпрямительного диода приведена на рис. 2.8.

Благодаря большой площади перехода плоскостные диоды рассчитаны на большой прямой ток. Обычно прямое напряжение диода не превышает 1-2 В, при этом плотность тока в полупроводнике достигает 1-10 А/мм2, что вызывает некоторое повышение его температуры. Для сохранения работоспособности германиевого диода его температура не должна превышать 85-100° С. Кремниевые диоды могут работать при температуре 150-200° С.

При подаче на полупроводниковый диод обратного напряжения в нем возникает незначительный обратный ток (рис. 2.8), обусловленный движением неосновных носителей заряда через р-n -переход.

При повышении температуры р-n -перехода число неосновных носителей заряда увеличивается за счет перехода часта электронов из валентной зоны в зону проводимости и образования пар носителей заряда электрон-дырка. Поэтому обратный ток диода возрастает.

В случае приложения к диоду обратного напряжения в несколько сотен вольт внешнее электрическое поле в запирающем слое становится настолько сильным, что способно вырвать электроны из валентной зоны в зону проводимости (эффект Зенера). Обратный ток при этом резко увеличивается, что вызывает нагрев диода, дальнейший рост тока и, наконец, тепловой пробой (разрушение) р-n -перехода. Большинство диодов может надежно работать при обратных напряжениях, не превышающих (0,7-0,8) U проб. Даже кратковременное повышение обратного напряжения сверх пробивного, как правило, приводит к пробою р-n -перехода и выходу диода из строя.

Основными параметрами точечных и плоскостных выпрямительных диодов являются: прямой ток диода I пр, который нормируется при определенном прямом напряжении (обычно 1-2 В). Максимально допустимый прямой ток диода I пр max , максимально допустимое обратное напряжение диода U обр max ; обратный ток диода I обр, который нормируется при максимальном обратном напряжении U обр max . Параметры различных выпрямительных диодов приведены в табл.

Полупроводниковый стабилитрон - полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.

Полупроводниковый стабилитрон работает на участке электрического пробоя р-n -перехода. Для предотвращения теплового пробоя конструкция стабилитрона обеспечивает эффективный отвод тепла от р-n -перехода. Чаще всего материалом для стабилитронов служит кремний. Вольт-амперная характеристика полупроводникового стабилитрона приведена на рис.

Как видно из рис., в области пробоя напряжение на стабилитроне U CT лишь незначительно изменяется при больших изменениях тока стабилизации I CT . Такую характеристику стабилитрона применяют для получения стабильного напряжения, например в параметрических стабилизаторах напряжения.

Основными параметрами полупроводникового стабилитрона являются: стабилизирующее напряжение U CT ; динамическое сопротивление на участке стабилизации Rд = d U CT /dI CT ; минимальный ток стабилитрона I ст min ; максимальный ток стабилитрона I ст max ; температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации TKU = d U CT /dT 100%.

Стабилизирующее напряжение современных стабилитронов лежит в пределах 1-1000 В и зависит от толщины запирающего слоя р-n перехода.

Туннельный диод - полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт-амперных характеристиках при прямом напряжении участка отрицательной дифференциальной проводимости (см. рис.).

В качестве рабочей используют прямую ветвь в. а. х.

Материалом для туннельных диодов служит сильно легированный германий или арсенид галлия.

Основными параметрами туннельного диода являются: ток пика Iп (кривая1 на рис.) и отношение тока пика к току впадины Iп/Iв. Для выпускаемых отечественной промышленностью диодов Iп = 0,1-100 мА, а Iп / Iв =5 - 20.

Туннельные диоды являются быстродействующими полупроводниковыми приборами и применяются в генераторах высокочастотных колебаний и быстродействующих импульсных переключателях.

Обращенный диод - разновидность туннельного диода, у которого ток пика Iп = 0 (кривая 2 на рис.). Если к обращенному диоду приложить прямое напряжение Uпр < 0,3 В, то пряой ток диода Iпр = 0, в то же время даже при небольшом обратном напряжении (порядка десятков милливольт) обратный ток диода достигает нескольких миллиампер в результате туннельного пробоя. Таким образом, обращенный диод обладает вентильными свойствами при малых напряжениях именно в той области, где обычные выпрямительные диоды этими свойствами не обладают. При этом направлением наибольшей проводимости является направление, соответствующее обратному току.

Обращенные диоды применяют, как и туннельные диоды в импульсных устройствах, а также в качестве преобразователей сигналов (смесителей и детекторов) в радиотехнических устройствах.

Варикап - полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости

р-n -перехода от обратного напряжения и который предназначен для применения в качестве элемента с электрически управляемой величиной емкости. Полупроводниковым материалом для изготовления варикапов является кремний. Зависимость емкости варикапа от обратного напряжения показана на рис.

Основными параметрами варикапа являются: общая емкость варикапа Св, которая фиксируется обычно при небольшом обратном напряжении Uo6p = 2-5 В; коэффициент перекрытия по емкости Кс = Cmax/Cmin, Для большинства варикапов Св = 10-500 пФ, а коэффициент перекрытия по емкости Кс = 5-20.

Варикапы применяют в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов.

Ф о.т о д и о д, фотоэлемент полупроводниковый, светодиод - полупроводниковые диоды, использующие эффект взаимодействия излучения (видимого, инфракрасного или ультрафиолетового) с носителями заряда (электронами и дырками) в запирающем слое р-n перехода.

Подготовлено

Учеником 10 «А» класса

Школы № 610

Ивчиным Алексеем

Реферат на тему:

«Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их пременеия»

1. Полупроводники: теория и свойства

2. Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)

3. Типы полупроводниковых приборов

4. Производство

5. Область применения

1.Полупроводники: теория и свойства

Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней

оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные

с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно

четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью

паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании

этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, ко-

торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при

своем движении большую часть времени проводят в пространстве между

соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними,

и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла.

Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.

Электронная проводимость.

При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и

наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток.

Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных

электронов электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном.

Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один

из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об-

разовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь.

а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким

образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.

Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то же время число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них

при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает

дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию

примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того

или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с

преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положи-

тельно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников откры-

вает широкие возможности для практического применения.

Донорные примеси.

Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во

много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. В полупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки - неосновными.

Акцепторные примеси.

Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не

достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в крис-

талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на-

зывают акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля

дырки перемешаютс по полю и возникает дырочная проводимость. По-

лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электрон-

ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv - положительный).

2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)

Существуют два основных полупроводниковых приборов: диод и транзистор.

В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более миниатюрны, чем ламповые.

Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ. Рассмотрим как создается p-n переход при использовании днорной примеси, этот переход не удастся получить путем механического соеденения двух полупроводников различных типов, т.к. при этом получается слишком большой зазор между полупроводииками.Эта толщина должна быть не больше межатомных растояний. По этому в одну из поврхностей образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германня у поверхности германия преобразуется область с проводимцстью р-типа. Остальная часть образца германии, в которуй атомы индмя нс проникли, по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом диоде германий служит катодом, а индий - анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в) подсоеденение диода.

Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 2.

Заменили лампы, очень широко используются в техники, в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.

Транзистор.

Рассмотрим один из видов транзистора из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа рис. 3. Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении

левый р-n переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р –n -перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напря-

жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого пе-

рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого p-n-перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю. Так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дырки проникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-скольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе. При большом сопротивление резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала в цепи эмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используются в технике.

3. Типы полупроводниковых приборов.

Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке) перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий вид на рисунке 5.

Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.

4. Призводство

Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают (диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками

После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.

5. Область применения

Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.

Транзисторы, как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от неправильного подключения.

Подготовлено

Учеником 10 «А» класса

Школы № 610

Ивчиным Алексеем

Реферат на тему:

«Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их пременеия»

1. Полупроводники: теория и свойства
2. Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
3. Типы полупроводниковых приборов
4. Производство
5. Область применения

1.Полупроводники: теория и свойства

Кремний-четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней

оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния также равно четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, ко- торые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла.
Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкои температуре не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.

Электронная проводимость.
При нагревании кремния кинетическая энергия частиц повышается, и наступает разрыв отдельных связей. Некоторые электроны покидают свои орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. В электрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрический ток.
Проводимость полупроводников обусловленную наличием у металлов свободных электронов электронов, называют электронной проводимостью. При повышении температуры число разорванных связей, а значит, и свободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К число свободных носителей заряда увеличивается от 10в17 до 10в24 1/м в3. Это приводит к уменьшению сопротивления.

Дырочная проводимость.

При разрыве связи образуется вакантное место с недостающим электроном.
Его называют дыркой. В дырке имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положение дырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующий процесс. Один из электронов, обеспечивающих связь атомов, перескакивает на место об- разовавшиеся дырки и восстанавливает здесь парноэлектронную связь. а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новая дырка. Таким образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.
Если напряженность электрического поля в образце равна нулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов, происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличии электрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, таким образом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрический ток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположно направлению движения электронов.
Итак, в полупроводниках имеются носители заряда двух типов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не только электронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов, например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то же время число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом, число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть от общего числа атомов.

Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная - примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией либо отрицательно, либо положи- тельно заряженных носителей. Эта особенность полупроводников откры- вает широкие возможности для практического применения.

Донорные примеси.
Оказывается, что при наличии примесей, например атомов мышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электронов возрастает во много раз. Происходит это по следующей причине. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов, четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния. Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидает атом мышьяка и становится свободным. Концентрация свободных электронов значительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободных электронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называют донорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n- типа. В полупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки - неосновными.

Акцепторные примеси.
Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в крис- талле равно числу атомов примеси. Такого рода примеси на- зывают акцепторными (принимающими). При наличии электрического поля дырки перемешаютс по полю и возникает дырочная проводимость. По- лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости над электрон- ной называют полупронодниками р-типа (от слова positiv - положительный).

2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)
Существуют два основных полупроводниковых приборов: диод и транзистор.

Диод.
В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того, полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более миниатюрны, чем ламповые.

Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 2.

Транзистор.
Рассмотрим один из видов транзистора из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров) прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа рис. 3.
Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристалле образуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении левый р-n переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р –n
-перехода, в цепи эмиттер - база существовал бы ток, зависящий от напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напря- жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого пе- рехода эмиттер - база. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого p-n- перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю. Так как сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в левом р -n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа - дырки проникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-скольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронами базы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р-n- переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь.
Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере.
Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе. При большом сопротивление резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала в цепи эмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используются в технике.

3. Типы полупроводниковых приборов.
Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке) перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий вид на рисунке 5.
Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.

4. Призводство
Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают
(диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками
После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.

5. Область применения

-----------------------

Рисунок 2

Рисунок 1

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 4

Полупроводниковым диодом называется не усиливающий сигнала электронный элемент с одним электронно-дырочным переходом и двумя выводами от анодаи катода.

Диоды применяются в электронных схемах для преобразования параметров электрических сигналов (выпрямление, стабилизация). Диоды различаются по конструктивному исполнению (точечные, плоскостные ) и по условному обозначению на схемах (в зависимости от функционального назначения).

Принцип действия диода иллюстрирует еговольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока от приложенного напряжения, (Рис.1), из которой видно, что диод обладаетодносторонней проводимостью (пропускает ток в прямом и практически не пропускает в обратном направлении).

Диод подключен в прямом направлении, когда к аноду А подключен положительный, а к катоду К – отрицательный полюс источника тока. Этому соответствует ветвь характеристики в первом квадранте. Через диод проходит большой прямой токI ПР.

При подключении в обратном направлении (плюс – к катоду, минус – к аноду) обратный токI ОБР, проходящий через диод, очень мал (mkA).

При этом прямой ток, как видно из рис. 1, существенно зависит от температуры окружающей среды (увеличивается с повышением температуры).

Рис. 1. Вольтамперная характеристика диода.

Характеристики диода:

Помимо рассмотренной вольтамперной к основным характеристикам диода относятся:

Максимальный прямой ток I ПР ;

Температурная стойкость t 0 max ;

Максимальное обратное напряжение U KP .

Сопротивление постоянному току R 0 = U ПР / I ПР ;

Сопротивление переменному току R i = Δ U ПР / Δ I ПР ;

Крутизна вольтамперной характеристики S = Δ I ПР / Δ U ПР ;

Мощность потерь на аноде P A = U ПР I ПР ;

Область использования диодов : выпрямление переменного тока; стабилизация напряжения; работа в фотоэлектрических устройствах; работа в схемах СВЧ и др.

Транзисторы

Транзисторы – полупроводниковые приборы с двумяр-п переходами, позволяющиеусилить электрический сигнал и имеющие обычно три вывода. Делятся на две группы –биполярные и униполярные (полевые). Основные схемы включения биполярного транзистора –с общей базой, с общим эмиттером и с общим коллектором . От вида схемы включения зависит, по какому параметру транзистор усиливает сигнал (по напряжению, току и пр.).

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор трехслойной структуры с чередующимися типами проводимости и двумяр-п переходами, позволяющий усиливать электрические сигналы и имеющий три вывода. Различаютпрямые (р-n-р) и обратные (n-р-n) транзисторы, разница между которыми состоит вполярности подключения источников питания.

Составные части транзистора соответствуют его слоям и носят названия: эмиттер – излучатель зарядов,база – основание иколлектор – собиратель зарядов. Слои обладают

различной проводимостью: крайние (эмиттер и коллектор) - дырочной p , а находящаяся между ними база -электронной n (рис. 2).

Эмиттер База Коллектор

I э I к

Вход Выход

Рис. 2. Биполярный p - n - p транзистор, включенный по схеме с общей базой

Рассмотрим принцип действия транзистора. Как видно на рис. 2, транзистор имеет два перехода: p - n иn - p . Первый переход (p - n ) включен впрямом направлении, т.е. минус кn -области, а плюс кр – области - эмиттеру. Поэтому через этот переход будет проходить прямой ток. Второй переход (n - p ) включен вобратном направлении, т.е. плюс к базе (n - область), а минус кр – области - коллектору. Если разомкнуть эмиттерную (входную) цепь, этот переход, находящийся подобратным U K включением, будет практически закрыт.

Если замкнуть цепь эмиттера (подать входной сигнал), через первый (открытый) p - n переход потечет прямой ток, образованный инжекцией дырок в базу. Поскольку толщина базы невелика, а полупроводники, из которых изготовлены эмиттер и база, подобраны с различной концентрацией основных носителей, т.е.концентрация дырок в эмиттере значительно выше концентрации электронов в базе , дырок, попавших в базу окажется так много, что только малая часть из них найдет в базе необходимые для рекомбинации электроны. Поэтому пришедшие дырки, не рекомбинировавшие с электронами, начинают перемещаться в те области базы, которые прилегают к коллектору. Положительные дырки, подошедшие к коллекторному переходу, испытывая действие сильного ускоряющего поля от мощной коллекторной батареиU K , переходят в коллектор и рекомбинируют с электронами, приходящими в коллектор из отрицательного полюса батареи питания. В результате через коллекторный переход начнет проходить коллекторный токI K , несмотря на то, что к переходу приложено обратное напряжение. Этот коллекторный ток будет составлять 90 – 95% от эмиттерного (из-за небольшого количества рекомбинировавщих и оставшихся в базе дырок). Но самое главное - это то, что величина коллекторного тока будет зависеть от величины тока эмиттера и изменяться пропорционально его изменению. Действительно, чем больше ток через эмиттерный переход, т. е. чем больше дырок впрыскивает эмиттер в базу, тем больше ток коллектора, который зависит от количества этих дырок. Отсюда следует практически важный вывод:

Управляя эмиттерным током транзистора, можно тем самым управлять и коллекторным током, причем при этом имеет место эффект усиления.

Данное свойство определило область использования транзисторов в схемах усилителей. Так, например, рассмотренная схема включения транзистора с общей базой будет давать усиление по напряжению и мощности подводимого сигнала, поскольку выходное сопротивление нагрузкиR н при соответствующем подборе напряжения батареиU к может быть существенно больше сопротивления на входе усилителя, т.е.R H >> R ВХ , а входной (эмиттерныйI Э ) и выходной (коллекторныйI К ) токи примерно равны. Отсюда напряжение и мощность, подводимые к входуU ВХ = I ВХ * R ВХ ; P вх = I 2 вх * R вх меньше соответствующих значений напряжения и мощности на выходе, т. е. в нагрузкеU = I К * R Н ; P н = I K 2 * R Н . Усиление по току при этом отсутствует (посколькуI Э ~ = I К ).

Чаще, однако, применяется другая схема включения транзистора - схема с общим эмиттером, при которой, кроме усиления мощности, имеет место такжеусиление тока. Схема включенияс общим коллектором используется при работе на низкоомную нагрузку или от высокоомного датчика. Коэффициент усиления такой схемы по току и мощности составляет несколько десятков единиц, по напряжению - около единицы.

Для правильного понимания принципа работы схем на транзисторах необходимо хорошо представлять себе особенности работы транзистора как усилителя, заключающиеся в следующем: в отличие от электронной лампы транзистор имеет в большинстве схем включения невысокое входное сопротивление, вследствие чего считают, что транзистор управляется входным током, а не входным напряжением; малое входное сопротивление транзисторных усилителей приводит к заметному потреблению мощности (тока) от источника усиливаемых колебаний, поэтому в этих усилителях основное значение имеет не усиление по напряжению, а усиление по току или мощности; коэффициент усиления по мощности k определяется отношением мощности, выделенной на выходе усилителя в полезной нагрузке, к мощности, затраченной на входном сопротивлении усилителя; параметры и характеристики транзистора сильно зависят от температуры и выбранного режима, что является недостатком.

Характеристики транзисторов:

Входная, выходная и переходная характеристики, рис. 3,

Рис. 3. Характеристики транзистора: а – входная, б – выходная, в - переходная

Коэффициент усиления (передачи) в общем виде, по напряжению, току, мощности

k=ΔΧ ВЫХ /ΔΧ ВХ;ΔU ВЫХ /ΔU ВХ;ΔI ВЫХ /ΔI ВХ;ΔP ВЫХ /ΔP ВХ.

Входное сопротивление транзистора переменному току

R = ΔU ВХ / ΔI ВХ.

Мощность потерь на коллекторе

P K = U K * I K .

Достоинства транзисторов: малые габариты, высокая чувствительность, безинерционность; долговечность;недостатки : существенное влияние внешних факторов (температуры, э/м полей, радиоактивных излучений и пр.).

Область использования транзисторов: Проводная и радиосвязь; телевидение; радиолокация; радионавигация; автоматика и телемеханика; вычислительная техника; измерительная техника; схемы усилителей; микросхемы памяти цифровых устройств и пр.

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы - диода (см.§ 105). Поэтому полупроводниковое устройство, содержащее один р-n -переход, называется полупроводниковым (кристаллическим ) диодом . Полупроводниковые диоды по конструкции делятся на точечные и плоскостные .

Рис. 339 Рис. 340

В качестве примера рассмотрим точечный германиевый диод (рис.339), в котором тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n -германию 2 острием, покрытым алюминием. Если через диод в прямом направлении пропустить кратковременный импульс тока, то при этом резко повышается диффузия А1 в Ge и образуется слой германия, обогащенный алюминием и обладающий р -проводимостью. На границе этого слоя образуется р-n -переход, обладающий высоким коэффициентом выпрямления. Благодаря малой емкости контактного слоя точечные диоды применяются в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.

Принципиальная схема плоскостного меднозакисного (купроксного) выпрямителя дана на рис. 340. На медную пластину с помощью химической обработки наращивается слой закиси меди Сu 2 О, который покрывается слоем серебра. Серебряный электрод служит только для включения выпрямителя в цепь. Часть слоя Сu 2 О, прилегающая к Сu и обогащенная ею, обладает электронной проводимостью, а часть слоя Сu 2 О, прилегающая к Ag и обогащенная (в процессе изготовления выпрямителя) кислородом,- дырочной проводимостью. Таким образом, в толще закиси меди образуется запирающий слой с пропускным направлением тока от Сu 2 О к Сu ().

Технология изготовления германиевого плоскостного диода описана в § 249 (см. рис.325). Распространенными являются также селеновые диоды и диоды на основе арсенида галлия и карбида кремния. Рассмотренные диоды обладают целым рядом преимуществ по сравнению с электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, постоянная готовность к работе и т. д.), но они очень чувствительны к температуре, поэтому интервал их рабочих температур ограничен (от –70 до +120°С). р-n- Переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов (первый транзистор создан в 1949 г. американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли; Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные . Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50 - 80°С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р , т. е. триода на основе n -полупроводника (рис. 341). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов - металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором - постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление , а усиленное - снимается с выходного сопротивления

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» - инжекцией - в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и изменяют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

Прикладывая между эмиттером и базой переменное напряжение, получим в цепи коллектора переменный ток, а на выходном сопротивлении - переменное напряжение. Величина усиления зависит от свойств p-n -переходов, нагрузочных сопротивлений и напряжения батареи Б к. Обычно >> , поэтому значительно превышает входное напряжение (усиление может достигать 10 000). Так как мощность переменного тока, выделяемая в , может быть больше, чем расходуемая в цепи эмиттера, то транзистор дает и усиление мощности. Эта усиленная мощность появляется за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.

Из рассмотренного следует, что транзистор, подобно электронной лампе, дает усиление и напряжения и мощности. Если в лампе анодный ток управляется напряжением на сетке, то в транзисторе ток коллектора, соответствующий анодному току лампы, управляется напряжением на базе.

Принцип работы транзистора п-р-п -типа аналогичен рассмотренному выше, но роль дырок играют электроны. Существуют и другие типы транзисторов, так же как и другие схемы их включения. Благодаря своим преимуществам перед электронными лампами (малые габаритные размеры, высокие к. п. д. и срок службы, отсутствие накаливаемого катода и поэтому потребление меньшей мощности, отсутствие необходимости в вакууме и т. д.), транзистор совершил революцию в области электронных средств связи и обеспечил создание быстродействующих ЭВМ с большим объемом памяти.

Контрольные вопросы

В чем суть адиабатического приближения и приближения самосогласованного поля?
Чем отличаются энергетические состояния электронов в изолированном атоме и кристалле? Что такое запрещенные и разрешенные энергетические зоны?
Чем различаются по зонной теории полупроводники и диэлектрики? металлы и диэлектрики?
Когда по зонной теории твердое тело является проводником электрического тока?
Как объяснить увеличение проводимости полупроводников с повышением температуры?
Чем обусловлена проводимость собственных полупроводников?
Почему уровень Ферми в собственном полупроводнике расположен в середине запрещенной зоны? Доказать это положение.
Каков механизм электронной примесной проводимости полупроводников? дырочной примесной проводимости?
Почему при достаточно высоких температурах в примесных полупроводниках преобладает собственная проводимость?
Каков механизм собственной фотопроводимости? примесной фотопроводимости? Что такое красная граница фотопроводимости?
Каковы по зонной теории механизмы возникновения флуоресценции и фосфоресценции?
В чем причины возникновения контактной разности потенциалов?
В чем суть термоэлектрических явлений? Как объяснить их возникновение?
Когда возникает запирающий контактный слой при контакте металла с полупроводником n -типа? с полупроводником р -типа? Объясните механизм его образования.
Как объяснить одностороннюю проводимость р-п -перехода?
Какова вольт-амперная характеристика p-n -перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.
Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?
Почему через полупроводниковый диод проходит ток (хотя и слабый) даже при запирающем напряжении?

Задачи

31.1. Германиевый образец нагревают от 0 до 17°С. Принимая ширину запрещенной зоны кремния 0,72 эВ, определить, во сколько раз возрастет его удельная проводимость. [В 2,45 раза]

31.2. В чистый кремний введена небольшая примесь бора. Пользуясь Периодической системой Д. И. Менделеева, определить и объяснить тип проводимости примесного кремния.

31.3. Определить длину волны, при которой в примесном полупроводнике еще возбуждается фотопроводимость.