Электрический ток в полупроводниках.
| Полупроводниковые приборы
|
В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.
В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно–дырочный переход (или n–p–переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.
| Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n-типов
|
Рассмотрим полупроводник, в левой части которого существует область с электронной проводимостью, а справа – с дырочной. Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия (тепловое движение) основных носителей: электроны из n–полупроводника диффундируют в р–полупроводник, а дырки из р–полупроводника в n–полупроводник.
В результате участок n–полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд,
| Полупроводники, как новый материал для электротехники, стали применять только в середине прошлого века, а термин полупроводники был впервые предложен и использован в публикации немецкого электрохимика И. Кенигсбергера в 1914 году. http://www.epos.ua/view.php/pubs_computer_history_Ukraine_diode
|
обусловленный наличием оголенных ионов донора (пятивалентной примеси). Движение дырок из р–полупроводника в n–полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда, образованного нескомпенсироваными «отрицательными» ионами акцептора (трехвалентной примеси) в пограничном участке р–полупроводника.
| Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости (запирающий слой) в связи с уходом свободных электронов и «дырок» практически превращается в диэлектрик.
|
В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле Езап, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Так как по мере накопления объемного заряда энергия поля увеличивается и оно оказывает все большее противодействие переходом электронов из n–области в p–полупроводник и соответственно «дырок» из p–области в n–полупроводник. Этот слой называют запирающим.
| В предложенной Б.И. Давыдовым теории впервые было дано теоретическое обоснование p-n перехода и введено понятие инжекции.
|
Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов этого слоя, обычно достигающего толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний, создают запирающее напряжение Uзап. Для германия Ge оно равно Uзап =0,35 В; для кремния Si – Uзап =0,6 В (оценим напряженность запирающего поля: U»0,4¸0,8 В, толщина слоя d~10-7 м, поэтому 
– очень велика).
N–p–переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.
Если полупроводник с n–p–переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n–областью, а отрицательный – с p–областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p–области и электроны в n–области будут смещаться от n–p–перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое, расширяя его.
Ток через n–p–переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p–переход, в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p–области и дырок в n–области.
Если n–p–переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p–областью, а отрицательный с n–областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p–области и электроны из n– области, двигаясь навстречу друг другу, следуя силе, действующей на них со стороны внешнего электрического поля, будут пересекать n–p– переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p– переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.
| Полупроводниковый диод; схематическое обозначение. Прямое и обратное включение
|
Полупроводниковый диод. Способность n–p–перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.
Рассмотрим приборы – полупроводниковые диоды – обладают способностью хорошо пропускать через себя ток одного направления и плохо – противоположного направления.
Это свойство используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).
Слово «диод» (греческая приставка «ди» – дважды и сокращение слова «электрод»).
Достоинства:
1. Малые размеры и массы.
2. Длительный срок службы.
3. Высокая механическая прочность.
4. Высокий КПД.
Недостаток: зависимость их параметров от температуры.
| Наряду с выпрямительными свойствами p–n–переход обладает электроемкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения.
При прямом напряжении электроемкость диода больше, чем при обратном напряжении. С увеличением обратного напряжения электроемкость уменьшается.
|
Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.
| Разновидности полупроводниковых диодов:
|
| Вольт-амперная характеристика кремниевого диода. На графике использованы различные шкалы для положительных и отрицательных напряжений
|
Способ изготовления диода: на пластину полупроводника (Ge) с электронной проводимостью накладывают небольшой кусочек In и помещают в печь (при 500°С). In вплавляется в пластинку Ge, образуя в ней область дырочной проводимости. К пластинке и капле In припаивают 2 проволочных вывода электродов. Весь прибор – герметичный, помещают в непрозрачный корпус, чтобы защитить от влаги и света.
1.
| Стабилитрон в стеклянном корпусе с рассеиваемой мощностью 0,5 Вт
|
| Внутренняя структура варикапа
|
Стабилитрон – полупроводниковый диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.
2. Варикап – полупроводниковый диод, емкость p– n– перехода которого зависит от значения приложенного напряжения; может быть использован как конденсатор, с управленческой электроемкостью приложенным напряжением.
3. Фотодиод – полупроводниковый диод – в его корпусе есть окно для освещения p– n–перехода под действием света сопротивление меняется и, следовательно, меняется сила тока – он еще и является источником электрической энергии. Имея миниатюрную линзу, управляется световым потоком. В зависимости от своей разновидности может функционировать как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазоне спектра.
4. Полупроводниковый диод Ганна – используется для генерирования частот диапазоном до десятков гигагерц.
5. СВЧ-диод – отличается определенными конструктивными особенностями и применяется в устройствах, работающих на сверхвысоких и высоких частотах.
6. Импульсный диод – для него характерно высокое быстродействие и малое время восстановления. Такой тип применяется в различных видах импульсной техники (например, в импульсном блоке питания).
7. Диод Шотки – предназначен для работы в стабилизаторах напряжения, а также в импульсных преобразователях.
8. Лавинно-пролетный диод – способен генерировать частоты вплоть до 180 ГГц.
9. Светодиод – у этого типа очень широкий спектр применения. Его также часто используют в различных альтернативных осветительных приборах.
10. Твердотельный лазер – используется для считывания и записи данных на оптические диски. Пример использования: бытовые CD/DVD-плееры.
Сложно представить себе нынешнее развитие технологий без этого замечательного небольшого прибора – полупроводникового диода.
| Работа биполярного транзистора
|
Транзистор– главная часть радиоприемников, магнитофонов, телевизоров и других приборов.Полупроводниковый прибор не с одним, а с двумя n–p–переходами называется транзистором.
Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний.
| Транзистор структуры p–n–p
|
Транзисторы бывают двух типов: p–n–p–транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p–типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n–типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (смотри рисунок справа, верхний).
В транзисторе n–p–n–типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n–типа (смотри рисунок справа, нижний).
Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.
| Транзистор структуры n–p–n
|
Оба n–p–перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рисунке ниже показано включение в цепь транзистора p–n–p–структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).
Пока цепь эмиттера разомкнута, ток в цепи коллектора очень мал, так как для основных носителей свободного заряда – электронов в базе и дырок в коллекторе – переход заперт.
| Цепь эмиттера Цепь коллектора
|
| Включение в цепь транзистора p–n–p-структуры
|
При замыкании цепи эмиттера дырки – основные носители заряда в эмиттере – переходят из него в базу, создавая в этой цепи ток Iэ. Но для дырок, попавших в базу из эмиттера, p–n–переход в цепи коллектора открыт. Большая часть дырок захватывается полем этого перехода и проникает в коллектор, создавая ток Iк. Для того, чтобы ток коллектора был практически равен току эмиттера, базу транзистора делают в виде очень тонкого слоя (размеры базы ~10-7 м очень малы), при этом до 95% дырок эмиттера проникают в коллектор, почти не рекомбинируя (т.к. не успевают) с электронами базы.
При изменении тока в цепи эмиттера изменяется сила тока и в цепи коллектора.
Если в цепь эмиттера включен источник переменного напряжения Uвх, то на резисторе R, включенном в цепь коллектора, также возникает переменное напряжение Uвых, амплитуда которого может во много раз превышать амплитуду входного сигнала (при условии, что сопротивление R – очень велико). Следовательно, транзистор выполняет роль усилителя переменного напряжения.
| Основное свойство транзистора – изменение сопротивления перехода Б – К под действием силы тока эмиттера – это означает, что участок Б – К представляет собой переменное сопротивление, подобное реостату.
|
| Мощные полевые транзисторы
|
Однако такая схема усилителя на транзисторе является неэффективной, так как в ней отсутствует усиление сигнала по току, и через источники входного сигнала протекает весь ток эмиттера Iэ. В реальных схемах усилителей на транзисторах источник переменного напряжения включают так, чтобы через него протекал только небольшой ток базы Iб=Iэ–Iк. Малые изменения тока базы вызывают значительные изменения тока коллектора. Усиление по току в таких схемах может составлять несколько сотен раз.
Применение транзистора очень широко – заменяют электронные лампы во многих цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.
Достоинства:
1. Отсутствие накаленного катода.
2. Компактны, по размерам и массе.
3. Работают при более низком напряжении.
Недостаток: очень чувствительны к повышению температуры, электрическим перегрузкам и проникающим излучениям.
Термистор. Так как в полупроводниках электрическое сопротивление очень сильно зависит от температуры – это свойство полупроводников используется для измерения температуры по силе тока I в цепи с полупроводником.
Такие приборы называют термисторы или терморезисторы (форма самая разнообразная - стержни, трубки, диски, шайбы, бусинки, пластинки размерами от нескольких мкм до нескольких см). Терморезисторы изготавливаются из материалов с высоким температурным коэффициентом сопротивления, который обычно в десятки раз больше, чем у металлов и металлических сплавов.
Условно терморезисторы классифицируют как низкотемпературные (предназначенные для работы при температурах ниже 170 К), среднетемпературные (от 170 до 510 К) и высокотемпературные (выше 570 К). Выпускаются терморезисторы, предназначенные для работы при температурах от 900 до 1300 К. Такие свойства термисторов обусловили их широкое применение в устройствах термостабилизации, автоматики, защиты от перегрузок и пожарной сигнализации.
| Терморезистор был изобретен Самюэлем Рубеном
в 1930 году.
|
Терморезисторы способны работать в различных климатических условиях и при значительных механических нагрузках. Однако, с течением времени, при жёстких условиях его эксплуатации, например, термоциклировании, происходит изменение его исходных термоэлектрических характеристик.
Фоторезистор. Электронная проводимость полупроводников зависит не только от температуры, но и от освещенности – эффект не связан с нагреванием, т.к. может наблюдаться при неизменной температуре.
Электронная проводимость повышается из-за разрыва связей и образования свободных электронов и «дырок» за счет энергии света – явление фотоэлектронного эффекта.
Для регистрации видимого света используются фоторезисторы из селенида и сульфида кадмия, селена Se. Для регистрации инфракрасного излучения используются германий Ge (чистый или легированный примесями Au, Cu, или Zn), Si, PbS, PbSe, PbTe, InSb, InAs, HgCdTe, часто охлаждаемые до низких температур. Полупроводник наносят в виде тонкого слоя на стеклянную или кварцевую подложку или вырезают в виде тонкой пластинки из монокристалла. Слой или пластинку полупроводника снабжают двумя электродами и помещают в защитный корпус.
Применяют в фоторезисторах или фотосопротивлениях для регистрации даже слабых световых потоков, определяют качество обработки поверхности, контролируют размеры и т.д.
| Транзистор на графетовой квантовой точке
|
| Абрам Федорович Иоффе - знаменитый ученый, отец советской физики. Он впервые в мире измерил заряд электрона и был одним из основоположников физики полупроводников. Он создал уникальную научную школу, давшую миру множество гениальных ученых.
|
Подведем итоги.
Полупроводниковые приборы в настоящее время широко применяются в современной радиотехнике, автоматике, телемеханике и других областях науки и техники. Применение микросхем привело к революционным изменениям во многих областях современной электронной техники. Это особенно ярко проявилось в электронной вычислительной технике. На смену громоздким ЭВМ, содержащим десятки тысяч электронных ламп и занимавшим целые здания, пришли персональные компьютеры.
На ИСЗ и на межпланетных кораблях устанавливают полупроводниковые солнечные батареи, в которых электрический ток создается за счет энергии Солнца. Солнечные батареи могут работать
ü на крышах домов – цель – получение энергии для их отопления,
ü на электромобилях – автомобили без ДВС.
В солнечных батареях главная часть – полупроводники с p–n– переходом, в которых за счет энергии света возникает ЭДС.
Самые ценные качества:
ü исключительно малые размеры (мкм),
ü долговечность (их свойства прочности не меняются со временем),
ü
| Академик А.Ф. Иоффе, работы которого получили широкое мировое признание, писал: «Можно предвидеть, что с помощью полупроводников будут решены многие фундаментальные задачи, как прямое превращение световой и тепловой энергии в электрическую энергию, а также электрической энергии в механическую и обратно, без помощи машин … Самые совершенные радиоприемники и самая сложная аппаратура для сигнализации, автоматики и телеуправления будут иметь ничтожные габариты и стоить во много раз дешевле».
|
возможность легко менять их электропроводность.
Его предвидение сбывается сейчас!
Современная технология позволяет производить полупроводниковые приборы – диоды, транзисторы, полупроводниковые фотоприемники и т.д. – размером в несколько микрометров. Качественно новым этапом электронной техники явилось развитие микроэлектроники, которая занимается разработкой интегральных микросхем и принципов их применения.
| Интегральной микросхемой называют совокупность большого числа взаимосвязанных элементов – сверхмалых диодов, транзисторов, конденсаторов, резисторов, соединительных проводов, изготовленных в едином технологическом процессе на одном кристалле. Микросхема размером в 1 см2 может содержать несколько сотен тысяч микроэлементов.
|
При изготовлении интегральной микросхемы на пластинку из полупроводника (обычно это кристаллы кремния) наносятся последовательно – слои примесей, диэлектриков, напыляются слои металлов (каждый по своей технологии нанесения). В результате – на одном кристалле одновременно создается несколько тысяч транзисторов, конденсаторов, резисторов и диодов, соединенных проводниками в определенную схему.
Размеры такой микросхемы обычно 5´5 мм, а отдельных микроприборов – порядка 10–6 м. Погрешности при нанесении не должны превышать 0,2 мкм.
В последнее время всё чаще стали обсуждать возможность создания электронных микросхем, в которых размеры элементов будут сопоставимы с размерами самих молекул, т.е. порядка 10–9–10–10 м. Для этого на очищенную поверхность монокристалла никеля или кремния с помощью туннельного микроскопа напыляются небольшие количества атомов или молекул других веществ. Поверхность кристалла охлаждается до –269 °С, чтобы исключить заметные перемещения атомов вследствие теплового движения. Размещение отдельных атомов в заданных местах открывают фантастические возможности создания хранилищ информации на атомном уровне. Это уже предел «миниатюризации».
Дата добавления: 2016-12-27; просмотров: 1743;
