Проводник, полупроводник, диэлектрик

Проводник – это твердое тело (металл), проводящий электрический ток по принципу свободных электронов.

Диэлектрик – это тело, не проводящее электрический ток.

Полупроводник – это материал, свойства которого (протекание тока) может подвергаться изменению в зависимости от условий.

Полупроводниковые материалы являются основными компонентами электронного оборудования. Они имеют малые размеры и вес, низкую потребляемую мощность, высокий коэффициент полезного действия (КПД), высокую надежность, способность работать в сложных условиях.

Полупроводники имеют следующие недостатки:

- высокая восприимчивость к высоким температурам;

- легко повреждаются и для стабилизации режима необходимы новые компоненты.

Проводимость полупроводников лежит между проводимостью и изоляцией.

Чистыми полупроводниковыми элементами является Ge и Si и С. Наиболее подходят для электроники Ge и Si. Ge – это хрупкий, серовато-белый элемент, открытый в 1886 г. Порошкообразная двуокись германия получают из золы некоторых сортов угля.

Si был открыт в 1823 г. Он распространен в земной коре в виде белого, а иногда бесцветного двуокиси кремния. Из двуокиси кремния получают чистый кремний. При комнатной температуре кристаллы чистого кремния являются плохими проводниками. Однако, если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая эквивалентную связь и это позволяет проводить электрический ток. Si имеет отрицательный коэффициент сопротивления, так как при повышении температуры его сопротивление уменьшается.

А)                                               Б)                              В)

А) В области р-типа акцепторные примеси увеличивают концентрацию дырок, а n-типа донорные примеси – концентрация электронов.

Б) Соединение двух полупроводников вызывает протекание (диффузию) основных носителей через переход дырки из р в n, а электроны из n в р.

В) Вблизи перехода в полупроводнике n-типа наблюдается избыток положительных зарядов, а в полупроводнике р-типа – отрицательных зарядов.

Эти заряды противоположного знака, выстроившиеся с двух сторон перехода, создают напряжение, называемое потенциальным барьером (очень маленькое).

К p-n переходу можно подвести внешние напряжение от источника постоянного тока – в результате переход со смещением. Имеются две возможности смещения, которые зависят от полярности подключения источника к переходу.

1)    2)

1) Переход, смещенный в проводящем направлении, что положительный полюс вытягивает электроны из полупроводника p-типа во внешнюю цепь и отталкивает дырки, тогда как отрицательный полюс поставляет электроны в полупроводник n-типа и притягивает дырки. В связи с этим в полупроводнике происходит диффузия основных носителей: дырок из p в n и электроны из n в p. Ток, протекающий в цепи в результате диффузии основных носителей, называется диффузионным.

2) При подключении противоположной полярности переход смещается в обратном направлении. В этом случае дырка из n области движется в направлении отрицательного полюса, а электрон из полупроводника p-типа в направлении положительного полюса. Это движение не основных носителей, и во внешней цепи протекает малый обратный ток. Приложенное в обратном направлении напряжение смещение увеличивает потенциальный барьер p-n переход лежит в основе диода.

Диоды

Диод – это простой электронный прибор с одним p-n переходом и двумя выводами (плоскостной)  диод полупроводниковый,  диод вакуумный.

ВАХ

При достижении U_обр некоторого U_пр обратный ток возрастает. Этот режим называется пробоем p-n перехода. С практической точки зрения различают два вида пробоя: электрический и тепловой.

I. Электрический пробой не опасен для p-n перехода (при отключении источника обратного напряжения свойства его полностью восстанавливаются).

Электрический пробой вызывается совместным действием двух факторов: ударная ионизация атомов, туннельный эффект.

Удельная ионизация возникает, когда под действием обратного напряжения электрон обретает энергию, достаточную для отрыва других электронов при столкновении с атомами кристаллов. При этом увеличивается количество носителей заряда и ток увеличивается.

Туннельный эффект выражается в том, что электрон с энергетического уровня области n проникает сквозь потенциальный барьер без потерь энергии на такой же энергетический уровень в области n. При увеличении напряжения U до U_кр вероятность таких переходов увеличивается, что приводит к увеличению обратного тока.

II. Тепловой пробой приводит к разрушению кристалла и является аварийным режимом. Тепловой пробой возникает при недостаточном охлаждении кристалла. Увеличивая температуру кристалла увеличиваются генерации носителей зарядов, увеличивается ток, дальнейшему повышению температуры соответствует разрушение кристалла.