Полупроводники. Типы проводимости полупроводников

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточное

положение между проводниками и диэлектриками. На их электропроводность большое влияние оказывают внешние факторы (температура, электрическое поле, освещенность, сжатие и т.д.) и внутренние факторы (наличие примесей). В электронике в качестве полупроводниковых материалов наиболее широко применяются кремний (Si), германий (Ge), арсенид галлия (GaAs).

           

 

Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примеси называется собственной электропроводностью полупроводника. Германий принадлежит в четвертой группе периодической системы Менделеева. Это значит, что атом германия имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом германия образует парноэлектронные (ковалентные) связи с четырьмя соседними атомами. При температуре, близкой к абсолютному нулю, и отсутствии примесей все валентные электроны в кристалле взаимно связаны, свободные электроны отсутствуют, следовательно, кристалл не обладает проводимостью. При сообщении кристаллу энергии извне (повышение температуры, облучение и т.д.) увеличивается энергия части электронов, что приводит к разрушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. В момент образования свободного электрона в ковалентных связях образуется вакантное место, которое может занять какой-либо из электронов соседней связи. Это вакантное место называется дыркой и имеет условный положительный заряд. При разрушении ковалентных связей в кристалле одновременно возникает одинаковое количество свободных электронов и дырок.

       Возникновение свободных электронов и дырок при разрыве ковалентных связей под действием теплового движения атомов кристаллической решетки называется тепловой генерацией носителей заряда.

       Одновременно с генерацией происходит рекомбинация свободных носителей заряда, т.е. объединение пары свободных носителей (электрона и дырки) с восстановлением ковалентной связи.

       Свойства полупроводника можно изменить, внеся в него примесь. В качестве примесей, регулирующих электропроводность полупроводника, используются элементы пятой группы (мышьяк, фосфор, сурьма), которые являются донорами для германия и кремния, и элементы третьей группы (индий, бор, галлий), которые являются акцепторами для германия и кремния.

       На рис.2.1.1,а изображена кристаллическая решетка германия с внедренным в нее атомом донорной примеси (мышьяк). Атом мышьяка имеет пять валентных электронов. Четыре из них создают ковалентные связи с четырьмя соседними атомами германия, а пятый становится лишним. Связь его с ядром сильно уменьшается, и он легко становится свободным. В полупроводнике с донорной примесью количество свободных электронов значительно больше количества дырок, образованных в результате тепловой генерации. Поэтому электроны являются основными носителями заряда, а дырки неосновными. Кристалл полупроводника с донорной примесью называется кристаллом с электронной проводимостью или кристаллом n -типа (от negative – отрицательный).

       На рис.2.1.1,б показана кристаллическая решетка германия с внедренным в нее атомом акцепторной примеси (индий). Атом индия имеет три валентных электрона, которые образуют ковалентные связи с тремя соседними атомами германия. Четвертая связь остается незаполненной, поэтому здесь можно говорить об образовании дырки. В полупроводнике с акцепторной примесью количество дырок значительно больше количества свободных электронов, образованных в результате тепловой генерации. Поэтому дырки являются основными носителями заряда, а электроны неосновными. Кристалл полупроводника с акцепторной примесью называется кристаллом с дырочной проводимостью или кристаллом p -типа (от positive – положительный).

Электронно-дырочный переход

       Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. При этом речь идет не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной. Между электронной и дырочной областями рассматриваемой полупроводниковой структуры всегда существует тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. Этот слой называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов.

Вследствие большой концентрации электронов в n-области и дырок в p-области происходит диффузия основных носителей заряда через границу p-n перехода. В тонком приграничном слое полупроводника n - типа возникает положительный объемный заряд, а в слое полупроводника p-типа – объемный отрицательный заряд. Между разноименно заряженными слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью E_пер., которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу.

Если подать на p-область положительный потенциал, а на n-область отрицательный, получим внешнее электрическое поле, направленное навстречу внутреннему полю p-n перехода. Под действием этого поля уменьшится потенциальный барьер и сопротивление внутри p-n перехода. При этом в цепи перехода установится ток, обусловленный движением основных носителей заряда, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника питания. Такой ток называется прямым током, а включение p-n перехода соответственно прямым включением.

Если подать на p-область отрицательный потенциал, а на n-область положительный, получим внешнее электрическое поле, направленное в ту же сторону, что и внутреннее поле p-n перехода. Под действием этого поля потенциальный барьер и сопротивление внутри p-n перехода возрастут. При этом в цепи перехода установится ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда, который будет очень мал, и в ряде практических случаев может считаться равным нулю. Такой ток называется обратным током, а включение p-n перехода соответственно обратным включением.

Исходя их вышесказанного, можно сказать, что p-n переход обладает явно выраженной односторонней проводимостью, то есть обладает вентильными (выпрямляющими) свойствами.

Вентильные свойства p-n перехода отображаются его вольт-амперной характеристикой (зависимостью тока через p-n переход от приложенного к нему напряжения) (рис.2.1.2). Зависимость прямого тока от прямого напряжения называется прямой ветвью вольт-амперной характеристики, зависимость обратного тока от обратного напряжения – обратной ветвью.

  На прямой ветви видно, что зависимость тока от напряжения вначале имеет нелинейный характер. Это происходит до тех пор, пока внешнее поле полностью не скомпенсирует внутреннее поле p-n перехода. Далее зависимость прямого тока от напряжения становится практически линейной. Обратная ветвь показывает, что при приложении обратного напряжения ток очень мал и довольно быстро перестает возрастать, несмотря на увеличение обратного напряжения. Это обусловлено малым количеством неосновных носителей заряда. При достижении обратным напряжением некоторого критического значения происходит резкое возрастание обратного тока. Напряжение при этом остается неизменным. Этот режим называется пробоем p-n перехода. Различается два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой возникает под действием ударной ионизации атомов и туннельного эффекта. Ударная ионизация заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны приобретают энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристалла. При этом происходит лавинообразное увеличение количества носителей заряда и ток возрастает. Туннельный эффект выражается тем, что электрон преодолевает потенциальный барьер без потери энергии. При увеличении обратного напряжения вероятность таких переходов возрастает и ток увеличивается. Электрический пробойне опасен для p-n перехода.При отключении источника обратного напряжения его свойства восстанавливаются. Тепловой пробой происходит при недостаточном охлаждении кристалла. Повышение температуры приводит к тепловой генерации носителей заряда, ток возрастает, что приводит к дельнейшему увеличению температуры. При этом кристалл разрушается. Для уменьшения вероятности теплового пробоя приборы снабжаются устройствами, улучшающими теплоотдачу.

Полупроводниковые диоды

       Полупроводниковым диодом называется прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, который служит для преобразования переменных величин в величины одной полярности (выпрямления).

       Диоды могут быть точечными и плоскостными. Точечный диод представляет собой кристалл полупроводника n - типа площадью порядка 1 мм², к которому прижимается металлическая игла с акцепторной примесью на конце. В процессе формовки через контакт иглы с кристаллом пропускают мощные импульсы тока. При этом часть акцепторной примеси внедряется в кристалл и образуется микроскопическая область p - типа. При этом образуется p-n переход, имеющий малую площадь и, вследствие этого, малую емкость. Точечные диоды применяются для выпрямления сигналов малой мощности и высокой частоты.

       Плоскостной диод состоит из пластины полупроводника n – типа, на которой расположена таблетка акцепторной примеси. В процессе изготовления происходит нагрев до температуры около 500° C, при которой акцепторная примесь плавится и происходит ее диффузия в пластину. При этом образуется p-n переход значительной площади и емкости. Плоскостные диоды используются для выпрямления сигналов большой мощности и низкой частоты.

       Основной характеристикой диода служит его вольт-амперная характеристика, вид которой совпадает с видом характеристики p-n перехода. Вольт-амперная характеристика существенно зависит от температуры окружающей среды. При повышении температуры прямой ток диода при одном и том же напряжении может увеличиться в несколько раз. Обратный ток также возрастает с увеличением температуры. При этом может произойти тепловой пробой p-n перехода и диод выходит из строя. Работоспособность германиевых диодов теряется при температуре около 70° C, а кремниевых – при 200° C. Высокая термическая устойчивость кремния является его важнейшим преимуществом перед другими полупроводниковыми материалами.

Одной из важных характеристик полупроводникового диода является пробивное обратное напряжение.

       Обозначение полупроводникового диода состоит из пяти элементов. Первый элемент – это буква, указывающая на исходный материал (Г – германий, К – кремний, А – арсенид галлия). Второй элемент – буква, указывающая на тип прибора (Д – диод). Третий элемент – число, указывающее назначение прибора (1 – диод малой мощности, 2 – диод средней мощности, 3 – диод большой мощности). Четвертый элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки прибора (от 1 д 99). Пятый элемент – буква, обозначающая деление технологического цикла на группы (от А до Я).

       Например: КД210Б – кремниевый диод средней мощности, номер разработки 10, группа Б.

       Полупроводниковые диоды, предназначенные для выпрямления переменного тока, называются выпрямительными. Плоскостные диоды средней и малой мощности применяются в схемах питания радиоаппаратуры, устройств автоматики и вычислительной техники. Диоды большой мощности используют в силовых установках для питания тяговых двигателей, привода механизмов и т.д. Для характеристики выпрямительных свойств диодов вводится коэффициент выпрямления, равный отношению прямого и обратного токов при одном и том же напряжении.

Диоды, предназначенные для работы в условиях высокой и сверхвысокой частоты, называются высокочастотными. Они используются в устройствах преобразования частоты радиоприемных устройств. В качестве высокочастотных диодов обычно применяются точечные диоды.

       Диоды, применяемые в качестве конденсаторов с управляемой емкостью, называются варикапами.

Диод, используемый для стабилизации напряжения, называется стабилитроном. Стабилитрон работает при обратном напряжении в режиме электрического пробоя. При этом обратный ток диода может изменяться, а напряжение при этом остается постоянным.

       Условные обозначения различных типов диодов показаны на рис.2.1.3.

Биполярный транзистор

       Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор, имеющий два p-n перехода, три вывода, который может служить для усиления переменных сигналов. Биполярным транзистор называется потому, что в создании токов транзистора участвуют носители заряда двух полярностей (электроны и дырки).

       Для создания биполярного транзистора в пластину полупроводника n – типа вплавляют с двух сторон таблетки акцепторной примеси. При этом в объеме полупроводника возле акцепторной примеси образуются две области p – типа, разделенные тонким слоем полупроводника n – типа. Таким образом, в биполярном транзисторе сформированы два p-n перехода, один из которых называется эмиттерным, а другой - коллекторным. Соответственно области (и выводы) биполярного транзистора носят названия: эмиттер, коллектор, база. Толщина базовой области, разделяющей эмиттер и коллектор, должна очень малой (порядка единиц микрометра). Такой транзистор называется биполярным p - n - p транзистором. Основными носителями заряда в таком транзисторе являются дырки, а неосновными – электроны. Если в качестве базы использовать полупроводник p-типа, а эмиттер и коллектор выполнить при помощи диффузии донорной примеси, то получим биполярный n - p - n транзистор, основными носителями заряда в котором будут электроны, а неосновными – дырки. Обозначение биполярных транзисторов на схеме показано на рис.2.1.4,а.

       Если подать на p-n-p транзистор питание, как показано на рис.2.1.4,б, то можно утверждать, что эмиттерный p-n переход транзистора включен в прямом направлении, а коллекторный – в обратном. При этом концентрация дырок в эмиттерной области много больше концентрации электронов в базе. Прямое сопротивление эмиттерного перехода мало, поэтому ток, идущий из эмиттера в базу I_э, обусловленный движением основных носителей заряда, сравнительно велик. В базе незначительная часть дырок рекомбинирует с электронами, убыль которых восполняется электронами, поступающими из внешней цепи и образующими ток базы I_б. В базе основная часть дырок продолжает движение к коллектору и под действием электрического поля (обратного для коллекторного перехода) проходит через границу в коллектор. Таким образом, возникает коллекторный ток I_к=I_э – I_б.

       Возможны три основные схемы включения биполярного транзистора, каждая из которых имеет свои усилительные свойства.

 

 

       Схема включения транзистора с общей базой показана на рис.2.1.5,а. Как видно, входным током в данной схеме является ток эмиттера I_э, а выходным – ток коллектора I_к. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общей базой не усиливает ток.

       Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и базой. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема усиливает напряжение.

       Усиление напряжения в схеме с общей базой происходит за счет разности входного и выходного сопротивлений. Входным сопротивлением является малое сопротивление эмиттерного p-n перехода, включенного в прямом направлении, а выходным - большое сопротивление коллекторного p-n перехода, включенного в обратном направлении.

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

Схема включения транзистора с общим эмиттером показана на рис.2.1.5,б. Как видно, входным током в данной схеме является ток эмиттера I_б, а выходным – ток коллектора I_к. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общей базой усиливает ток.

       Входное напряжение подается между эмиттером и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и эмиттером. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема усиливает напряжение.

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

       Как видно из приведенного выше, схема включения биполярного транзистора с общим эмиттером усиливает переменный сигнал по току, напряжению и мощности, то есть, обладает наилучшими усилительными свойствами.

Схема включения транзистора с общим коллектором показана на рис.2.1.5,в. Как видно, входным током в данной схеме является ток базы I_б, а выходным – ток эмиттера I_э. При этом коэффициент усиления по току:

Следовательно, схема с общим коллектором усиливает ток.

       Входное напряжение подается между коллектором и базой, а выходное напряжение снимается между коллектором и эмиттером. При этом коэффициент усиления по напряжению:

Следовательно, схема не усиливает напряжение.

       Отсутствие усиления напряжения в схеме с общим коллектором происходит за счет того, что входное сопротивление данной схемы велико, а выходное - мало. Поэтому произведение входного тока на сопротивление примерно равно произведению выходного тока на сопротивление. 

       Коэффициент усиления по мощности:

Следовательно, схема усиливает мощность.

       Схема включения биполярного транзистора с общим коллектором называется также эмиттерным повторителем напряжения.

       Характеристики выражают зависимость между напряжениями и токами в цепях транзистора. На рис.2.1.6,а представлены входные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общей базой. Они представляют собой зависимость входного тока (тока эмиттера) от напряжения на входе (между эмиттером и базой) при неизменном напряжении между коллектором и базой. Как видно из рисунка, при отсутствии напряжения на коллекторе характеристика представляет собой график, аналогичный прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n перехода. При подаче отрицательного напряжения на коллектор характеристика смещается влево из-за незначительного увеличения эмиттерного тока вследствие влияния поля, созданного напряжением на коллекторе на эмиттерный переход.

       Выходные характеристики, показанные на рис.2.1.6,б, представляют собой зависимость выходного тока транзистора (тока коллектора) от выходного напряжения (между коллектором и базой) при неизменном токе эмиттера. Как видно из рисунка, напряжение между коллектором и базой слабо влияет на коллекторный ток, так как в основном он зависит от количества носителей заряда, впрыскиваемых из эмиттера в базу, то есть от тока эмиттера.

       Обозначение полупроводниковых транзисторов имеет пять элементов.. Первый элемент – это буква, указывающая на исходный материал (Г – германий, К – кремний, А – арсенид галлия). Второй элемент – буква, указывающая на тип прибора (Т– транзистор). Третий элемент – число, указывающее назначение прибора (1 – транзистор малой мощности низкой частоты, 2 – транзистор малой мощности средней частоты, 3 – транзистор малой мощности высокой частоты, 4 – транзистор средней мощности низкой частоты, 5 – транзистор средней мощности средней частоты, 6 – транзистор средней мощности высокой частоты, 7 – транзистор большой мощности низкой частоты, 8 – транзистор большой мощности средней частоты, 9 – транзистор большой мощности высокой частоты). Четвертый элемент – число, указывающее на порядковый номер разработки прибора (от 1 д 99). Пятый элемент – буква, обозначающая деление технологического цикла на группы (от А до Я).

       Например: КТ540А – кремниевый транзистор средней мощности, средней частоты, номер разработки 40, группа А.

Тиристоры

       Тиристоры представляют собоймногослойные полупроводниковые структуры,основное которых состоит в способности находиться в двух устойчивых состояниях: закрытом и открытом. В закрытом состоянии сопротивление тиристора составляет десятки Мом, и он практически не пропускает ток при напряжениях до 1000 В. В открытом состоянии сопротивление тиристора незначительно, падение напряжения на нем около 1 В при токах в десятки и сотни ампер. Переход тиристора из одного состояния в другое происходит практически мгновенно. Среди тиристоров выделяют динисторы и тринисторы.

       Динистор (диодный тиристор) имеет три p-n перехода и два вывода – анод и катод. Переход динистора из одного состояния в другое происходит при изменении значения или полярности напряжения на его выводах.

       Тринистор (триодный тиристор) снабжен дополнительным третьим управляющим электродом. Управляющий электрод позволяет при помощи небольшого импульса напряжения перевести тринистор из закрытого состояния в открытое при неизменном напряжении на основных электродах. Обратный переход из открытого состояния в закрытое при помощи управляющего напряжения невозможен. Для этого необходимо уменьшить ток тиристора до значений, меньших удерживающего тока.

       Условные обозначения динистора и тринистора показаны на рис.2.1.7

Фотоэлектрические приборы

       Фотоэлектрическими называются приборы, в которых преобразование лучистой энергии изменяются электрические свойства вещества. Данные приборы делятся на приборы с внешним фотоэффектом и приборы с внутренним фотоэффектом.

       Внешний фотоэффект (фотоэлектронная эмиссия) заключается в сообщении источником излучения части электронов дополнительной энергии, достаточной для выхода электронов в окружающую среду. К приборам с внешним фотоэффектом относятся электронные фотоэлементы и фотоэлектронные умножители. В электронном фотоэлементе под действием светового излучения происходит выход электронов с поверхности катода, представляющего собой тонкую пленку светочувствительного материала. Анодом служит кольцо, обеспечивающее свободное попадание света на катод. Фотоэлемент монтируется в колбе, внутри которой создается вакуум. Таким образом, электронный фотоэлемент преобразует энергию светового потока в сигнал постоянного напряжения (тока). Недостатком электронных фотоэлементов является малая чувствительность. Этот недостаток можно устранить, применив фотоэлектронный умножитель. Это прибор, в котором поток первичных электронов, полученный при фотоэлектронной эмиссии, усиливается посредством вторичной электронной эмиссии.

       Внутренний фотоэффект заключается в том, что в полупроводнике под действием энергии света возникают дополнительные свободные носители заряда (электроны и дырки). При этом сопротивление полупроводника уменьшается. К приборам с внутренним фотоэффектом относятся фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы.

       Фоторезисторы – это приборы, действие которых основано на изменении сопротивления полупроводникового материала под действием падающего светового излучения. Фоторезистор представляет собой диэлектрическую подложку (стекло), на которую нанесен слой полупроводникового вещества. Световой поток падает на полупроводник через специальное окошко в пластмассовом корпусе. Электроды выполнены из материалов, обеспечивающих хороший контакт с полупроводником.

       При включении фоторезистора в цепь в отсутствии светового потока по цепи протекает темновой ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводника. Этот ток очень мал. При попадании света на полупроводник в нем возникают дополнительные электроны и дырки, в результате чего ток в цепи возрастает (световой ток). Разность между световым и темновым токами называется фототоком.

       Фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности p-n перехода. Фотодиоды могут работать в генераторном (без внешнего источника питания) и фотопреобразовательном (с внешним источником питания) режимах.

       В генераторном режиме при освещении фотодиода образуются дополнительные пары электрон-дырка, часть которых достигает p-n перехода. Под действием внутреннего поля перехода дырки переходят в p - область, а электроны остаются в n – области, так как не могу преодолеть потенциальный барьер. Происходит накопление дырок в p – области, а электронов в n- области. Между электродами возникает разность потенциалов, представляющая собой фото-ЭДС. При наличии сопротивления нагрузки через фотодиод будет протекать электрический ток.

       В фотопреобразовательном режиме диод включен в обратном направлении. При отсутствии освещения через диод протекает незначительный обратный ток (темновой). При освещении n – области фотодиода возникают пары свободных носителей зарядов (электроны и дырки). Дырки переходят через границу перехода в p – область. Таким образом, свет вызывает увеличение тока за счет неосновных носителей заряда (световой). Таким образом, фотодиод, работающий в фотопреобразовательном режиме, аналогичен фоторезистору, однако обладает большей чувствительностью.

       Фототранзистор представляет собой трехслойный полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами, обладающий свойством усиления фототока при воздействии энергии света. Фототранзистор выполнен в виде обычного кремниевого или германиевого транзистора. Световой поток попадает на базовую область.

При двухполюсной схеме подключения фототранзистора типа p-n-p на эмиттер подается положительный потенциал, а на коллектор отрицательный. База при этом остается неподключенной. Под действием света в базе образуются дополнительные электроны и дырки. Дырки под действием поля источника питания движется из базы в коллектор, образуя фототок. Электроны остаются в базе и снижают потенциальный барьер. Это облегчает движение дырок из эмиттера в базу и увеличивает коллекторный фототок.

Возможности схемы с подключенной базой (на базу подан отрицательный потенциал) шире, так как, помимо светового, на базу подается электрический сигнал и чувствительность схемы возрастает.

Условные обозначения фотоэлектронных приборов показаны на рис.2.1.8.

Фотоэлектронные приборы широко применяются в системах автоматизации, регистрирующих приборах фотометрии, вычислительной технике.