Фізичні основи роботи напівпровідників

 

У природі всі речовини за властивостями можуть бути розділені на 3 основні групи: провідники, напівпровідники та діелектрики. Висока концентрація електронів в металах забезпечує їх хорошу провідність і, практично, не залежить від температури. Навіть при найнижчих температурах в металах існує велика кількість рухомих електронів. З підвищенням температури рухомість електронів зменшується, а питомий опір металу зростає.

У напівпровідникових матеріалів механізм електропровідності дещо інший. Для них характерною є кристалічна будова, тобто закономірне і впорядковане розміщення їх атомів у просторі. У кристалах напівпровідника атоми, які пов’язані між собою розміщуються у строгій послідовності і на однакових відстанях один відносно одного. В результаті цього утворюється так звана кристалічна градка твердого тіла.

Між атомами кристалічної градки існують зв’язки, що утворюються валентними електронами, які взаємодіють не тільки з ядром свого атому, але й з ядрами сусідніх. В кожному атомі напівпровідника існує три типи зон: дозволені, заборонені і провідності.

В дозволених зонах електрони перебувають близько біля ядра атома, їхня енергія є незначною, а кількість залишається незмінною внаслідок того, що вони не можуть перейти через заборонені зони. Зони провідності мають валентні електрони, які знаходяться на зовнішніх орбітах атома, мають велику енергію і приймають участь у створенні міжатомних зв’язків.

При низьких температурах всі валентні електрони зайняті в міжатомних зв’язках і, оскільки немає вільних електронів, то струм у кристалі напівпровідника не протікає.

З підвищенням температури енергія електронів збільшується і деякі валентні зв’язки розриваються, в результаті чого виникають вільні електрони, які створюють електронну провідність. З подальшим підвищенням температури кількість вільних електронів швидко зростає. Але поки відсутня дія зовнішнього електричного поля, то електрони внаслідок теплового руху переміщуються у кристалі хаотично. При цьому струм у напівпровіднику не виникає.

Якщо ж на кристал напівпровідника діє зовнішнє електричне поле, то рух електронів становиться впорядкованим. Оскільки електрони покинули зону провідності, то їхнє місце займають електрони з дозволеної зони, яка знаходиться ближче до ядра атома, а місця цих електронів займають дірки. Внаслідок цього дозволена зона стає зоною провідності. У напівпровіднику виникають два типи провідності: електронна і діркова, в результаті чого у кристалі виникає електричний струм.

Характерною особливістю напівпровідників є зменшення їх опору при підвищенні температури.

Електричні властивості напівпровідників залежать також від наявності домішок. Одні домішки, як правило, збільшують електронну провідність (донорні), а інші – діркову (акцепторні). Внаслідок цього за допомогою введення домішок можна регулювати механізм електропровідності напівпровідника. [3, 4].

 

Напівпровідникові пристрої

До активних елементів радіоапаратури відносяться пристрої, здатні змінювати свої характеристики під дією електричного поля сигналу, або додаткового джерела живлення. Любий активний елемент містить один або декілька р-n-переходів, побудованих на основі напівпровідників з різними типами провідності – дірковою – р та електронною – n [3 - 5]. У р-n-переході існує потенціальний бар’єр, який запобігає переміщенню основних носіїв зарядів (електронів та дірок) при відсутності електричного поля.

Розглянемо два випадки подачі зовнішнього електричного поля на р-n-перехід. Спочатку розглянемо випадок, коли напруга зовнішнього електричного поля є протилежною за знаком до контактної різниці потенціалів р-n-переходу. У цьому випадку джерело енергії вмикається так, що поле, яке створюється зовнішньою напругою в р-n-переході, буде направлене на зустріч власному полю р-n-переходу. Таке ввімкнення називається прямим. Воно призводить до зниження висоти потенціального бар’єру. При цьому ширина р-n-переходу зменшується. Частина основних носіїв заряду, які мають найбільшу енергію, зможе перейти через низький потенціальний бар’єр і перейти через межу, що розділяє напівпровідник на області n та р – типів. Це призводить до порушення рівноваги між дрейфовими та дифузійними струмами. Дифузійна складова стає більшою за дрейфову і результуючий прямий струм через р-n-перехід стає більшим за нуль:

(1.9)

При поступовому збільшенні зовнішньої прямої напруги прямий струм через р-n-перехід може зрости до великих значень, оскільки він зумовлений, в основному, рухом основних носіїв, концентрація яких в обох областях р-n-переходу є великою.

Процес введення основних носіїв заряду з однієї області напівпровідника у іншу, де вони є неосновними через р-n-перехід при зниженні висоти потенціального бар’єру називається інжекцією.

Розглянемо тепер випадок, коли до р-n-переходу прикладена зворотна напруга від зовнішнього джерела. При цьому електричне поле, що створюється зовнішнім джерелом співпаде за знаком з полем р-n-переходу. Потенціальний бар’єр між р- і n- областю, при цьому, зростатиме. Кількість основних носіїв, які здатні пересилити дію результуючого електричного поля, зменшиться. Відповідно зменшиться і струм дифузії основних носіїв заряду. Під дією електричного поля від зовнішнього джерела, основні носії будуть відтягуватись від приконтактних шарів у глибину кожної області напівпровідника. У результаті цього ширина р-n-переходу збільшиться.

Для неосновних носіїв (дірок у n – області і електронів у р – області) потенціальний бар’єр у переході відсутній і вони будуть втягуватись полем у область р-n-переходу. Це явище називається екстракцією.

При зворотному включенні основну роль відіграє дрейфовий струм, який має незначну величину, оскільки створений рухом неосновних носіїв заряду. Цей струм називається зворотним:

(1.10)

Величина зворотного струму практично не залежить від зовнішньої зворотної напруги при сталій температурі.

Властивості напівпровідників в повній мірі використовуються активними елементами радіоапаратури – діодами та транзисторами

 

Діоди

 

Діод – це активний напівпровідниковий пристрій з одним випростовуючим р-n-переходом і двома зовнішніми виводами, у якому використовується та чи інша властивість переходу.

Як матеріал для виготовлення діодів використовується германій, кремній, арсенід галію, індій.

Діоди бувають: випростовувальні, високочастотні, імпульсні, стабілітрони, варикапи, тунельні, світло – випромінюючі, світло – приймаючі та ін.

У залежності від способу виготовлення р-n-переходів напівпровідникові діоди поділяються на два типи: точкові та площинні.

Основною характеристикою напівпровідникових діодів є їх вольт-амперна характеристика (ВАХ). ВАХ випростовувального діода наведена на рис. 1.4. В точці А ВАХ діода вважається, що він повністю відкритий.

Випростовувальні діоди призначені для випростовування змінних струмів в діапазоні низьких частот від 50 Гц до 50 кГц. Як випростовувальні використовуються площинні діоди, у яких завдяки великій площі контакту може протікати значний струм [4].

 

 

Рисунок 1.4 – ВАХ випростовувального діода