Общие сведения о полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы в отличие от электронных ламп характерны тем, что в лампах электроны покидают катод и движутся в вакууме под действием сил постоянных и переменных электрических полей, в полупроводниковых же приборах электрические заряды движутся в твердом теле, не выходя за его пределы.

К основным свойствам полупроводниковых элементов относятся:

1) Широкий диапазон изменения их удельного сопротивления в зависимости от температуры, действия света, электрических и магнитных полей, радиоактивного излучения, наличия посторонних примесей;

2) Отрицательный температурный коэффициент сопротивления: их сопротивление уменьшается с ростом температуры;

3) Применяемые полупроводники имеют кристаллическое строение, то есть их структура представлена в виде симметрично, упорядоченно расположенных атомов, образующих кристаллическую решетку.

4) Наличие валентных связей между атомами полупроводниковых элементов. Это связи, образованные валентными электронами каждого из атомов, образующих кристаллическую решетку. Во внешнем слое атома число электронов может быть различным, но не более 8. Атом стабилен, если внешняя орбита имеет 8 электронов. В германии с атомным числом 32 недостает 4-х валентных электронов. Следовательно, атом германия способен вступать во взаимодействие с другими атомами.

Связь атомов в молекуле с помощью валентных электронов называется валентной.

5) Структура атомов наиболее часто применяемых полупроводниковых химических элементов такова, что позволяет контролировать ток, протекающий через них. Таким образом, появляется возможность управлять током в полупроводнике, то есть использовать его в качестве усилителя.

6) Для полупроводников характерно наличие электронной и дырочной проводимости. Валентные электроны под действием внешних сил, например, при нагревании или освещении, преодолевая силы притяжения с соседними атомами, разрывают свои связи с ними. Появившиеся в кристалле свободные электроны обусловят появление электрического тока в полупроводнике, если к нему приложить электрическую силу.

Вывод: По своей способности проводить электрический ток полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и изоляторами. Такими свойствами обладают, например, следующие химические элементы: углерод (С), селен (Se), кремний (Si) и германий (Ge). По сравнению с металлическими проводниками они имеют большие сопротивления, но в сравнении с изоляторами типа стекла или фарфора их можно считать проводниками.

2. Электронная и дырочная проводимость полупроводников, «p-n-p» и «n-p-n» переходы.

Проводимость кристалла полупроводника, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной.

Дырочная проводимость в полупроводнике представляет собой упорядоченное движение дырок в теле кристалла под действием приложенного электрического поля. Дыркой называется электронная связь, из которой вырван ставший свободным электрон.

Движение дырок и электронов в электрическом поле противоположно по направлению: первые движутся в сторону отрицательного полюса приложенного поля, а вторые - в сторону положительного.

В чистом полупроводнике количество дырок равно количеству электронов, причем наряду с образованием происходит и их рекомбинация.

Проводимость полупроводника можно значительно улучшить, если ввести в него небольшое количество специально подобранных примесей. Их наличие обусловит нарушение равенства между количеством дырок и электронов, и электрический ток будет создан преимущественно зарядами одного знака в зависимости оттого, что преобладает в полупроводнике.

Если в германий добавить примесь мышьяка, то будет создан избыток электронов - носителей отрицательных зарядов. Примесь индия в германии будет способствовать созданию недостатка электронов, тогда этот полупроводник может быть использован как проводник положительных зарядов.

Примеси, вызывающие преобладание электронов в полупроводнике и создающие в нем электронную проводимость, называются донорными, так как они "отдают" электроны. Если с введением примеси число дырок в полупроводнике начинает преобладать, то такие примеси называются акцепторными, поскольку они "принимают" электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями тока являются электроны, называются полупроводниками n -типа (n-"negative" отрицательный).

Полупроводники с избытком дырок, как основных носителей тока, называются полупроводниками р-типа (р -"positive" - положительный).

Полупроводниковым р-n переходом – называется область вещества, образующаяся на границе полупроводников с электронной (n -типа) и дырочной (p -типа) проводимостями.

При соприкосновении этих полупроводников некоторое количество электронов из вещества n -типа перемещается через границу раздела в элемент p -типа, а некоторое количество дырочных зарядов в то же время переходят в противоположное направление.

Эти перемещения обусловлены силами притяжения электронов к полупроводнику p -типа и дырок к n -типа. Таким образом, на границе перехода образуется некоторая разность потенциалов, называемая барьерным напряжением.

Прохождение электрического тока через переход зависит от разности потенциалов на его зажимах. Когда внешнее напряжение компенсирует барьерный потенциал, тогда через переход будет протекать ток. Такое внешнее напряжение называется положительным смещением или смещением в прямом направлении (рис. 2.5.а).В течение определенного времени происходит диффузия части атомов примеси в пластинку полупроводника на небольшую глубину.

При положительном смещении через р-n переход течет большой электрический ток, то есть сопротивление перехода мало.

Если к р-n переходу подключить источник питания так, как показано на рисунке 2.5.б, то под действием созданного электрического поля электроны будут притягиваться положительным полюсом, а дырки - отрицательным. Создаваемое разрежение носителей заряда на границе двух полупроводников будет способствовать увеличению толщины запирающего слоя, то есть сопротивление р-n перехода будет увеличиваться, а ток в результате будет уменьшаться.

Рис. 2.5. Электронно-дырочный переход

Напряжение, приложенное к переходу с полярностью, противоположной положительному смещению, называется отрицательным смещением.

Ток, протекающий через переход при положительном смещении, называется прямым током или током в прямом направлении. При отрицательном смещении протекает небольшой ток, называемый обратным током утечки (I0).

На рисунке 2.6 изображены статические характеристики прямого и обратного токов в р-n переходе.

Рис. 2.6. Статические характеристики прямого и обратного токов в p-n переходе

Из характеристик видно, что величины токов в прямом и обратном направлениях различаются в десятки, сотни раз. Обращает на себя внимание тот факт, что зависимость тока от напряжения не является линейной. Резкое увеличение тока в обратном направлении при большом запирающем напряжении указывает на ухудшение электрической проводимости перехода при высоком напряжении. В свою очередь крутой изгиб вверх ветви прямого тока предупреждает об опасности чрезмерного роста тока через переход, что может вывести прибор из строя. Поэтому обычно для переходов того или иного прибора указывается предельное значение обратного напряжения и прямого тока.

Характерной особенностью р-n перехода является также сильная зависимость его свойств от температуры. При повышении температуры и неизменном напряжении прямой ток увеличивается. Использование свойств p-n перехода лежит в основе принципа действия различных видов полупроводниковых приборов. Например, таких как полупроводниковые диоды и транзисторы.