Полупроводники. Общее понятие

Полупроводники занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся большинство веществ, имеющихся в природе: это – минералы, различные окислы и сульфиды, металлы – кремний, германий и др. Электрическая проводимость полупроводников при комнатной температуре лежит в широком диапазоне 10^-3…10⁶ См/м.

Все полупроводники являются кристаллическими веществами с различными кристаллическими решетками. В узлах решетки в правильном геометрическом порядке расположены атомы. Каждый атом, находящийся в узле решетки, имеет определенное количество электронов.

Если поступление энергии извне (за счет повышения температуры, света электромагнитного поля и т.п.) сообщает электрону атома энергию, достаточную для того, чтобы порвать парно электронную связь, то, освободившись, электрон становится носителем заряда. Такую проводимость называют n–проводимостью.

Электрон, освобождаясь, образует в кристаллической решетке вещества незаполненную межатомную связь – дырку. Освободившееся здесь место может быть заполнено другим электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний из соседнего нейтрального атома. Но на месте, где был электрон, создается новая дырка. Её может заполнить электрон следующего атома и т. д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки (положительного заряда). Такую проводимость называют р–проводимостью.

В зависимости от легирующих добавок (примесей) полупроводник может приобретать n–проводимость или р–проводимость.

На границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход, называемый также р-n-переходом или запирающим слоем. Этот слой обладает вентильными свойствами, т.е. односторонней проводимостью.

Полупроводниковый диод. Двухслойный полупроводниковый прибор с р-n-переходом называется полупроводниковым диодом (рис 1, а).

Его стандартное буквенное обозначение на схемах – V (рис 1, б). Электрод связанный с р-областью называют анодом А, а электрод связанный с n-областью – катодом К.

Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с р-областью полупроводникового диода, а отрицательный – с n-областью, то такое включение полупроводникового диода называется прямым (рис 1, в). При таком включении диода его прямое сопротивление r_пр мало.

При обратном включении полупроводникового диода, к аноду подключается минус источника напряжения, а к катоду – плюс этого источника.

Обратное сопротивление r_об полупроводникового диода велико и является конечной величиной. Поэтому для диода характерна односторонняя проводимость.

Отношение обратного сопротивления r_об к прямому сопротивлению r_пр диода, равное отношению прямого тока I_пр к обратному току I_об, называется статистическим коэффициентом выпрямления: к_в.ст = I_пр /I_об = r_об / r_пр, причем прямые и обратные величины должны быть измерены при одинаковом напряжении.

Зависимость тока диода от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой ВАХ (рис. 2)

Рис. 2

Из ВАХ диода видно, что при малом прямом напряжении протекает большой ток I_пр (прямая ветвь ВАХ), а при больших обратных напряжениях – малый тепловой ток I_об .

Обратная ветвь ВАХ диода имеет три характерных участка. Участок I (0-а) при увеличении обратного напряжения, ток обусловленный утечкой по поверхности кристалла незначительно возрастает.

Участок II (а-б) – участок электрического пробоя р-n-перехода: при мало изменяющемся напряжении наблюдается резкое увеличение тока I_об . При снятии напряжения ток через диод прекращается и диод пригоден для дальнейшего использования, т. е. пробой является обратимым.

На участке III (б-в) происходит тепловой пробой, который является необратимым.

Для диода рабочим участком ВАХ служит прямая ветвь и участок I обратной ветви. Основное применение диоды нашли в схемах выпрямительных устройств.

Полупроводниковый стабилитрон. Полупроводниковый стабилитрон, как и диод, имеет двухслойную структуру. Его буквенное обозначение V совпадает с обозначением диода, а графическое показано на рис 1, д.

Стабилитроны изготавливаются так, чтобы при низких напряжениях электрического пробоя на участке II обратной ветви ВАХ (рис.2), выделяемая в приборе, мощность была невелика. Это обеспечивает возможность длительной работы прибора при обратном напряжении. Этот режим работы используется в стабилитронах – кремниевых диодах, специально предназначенных для стабилизации напряжения. Рабочим участком ВАХ стабилитрона является участок II, который характеризуется напряжением стабилизации U_ст и ограничен минимальным и максимальным значениями тока. Изменение напряжения стабилизации ΔU при изменении тока через прибор ΔI характеризуется динамическим сопротивлением стабилитрона r_ст = ΔU/ ΔI.

В идеальном случае динамическое сопротивление стабилитрона r_ст =0.

За пределами участка II стабилитрон может рассматриваться как обычный диод. Промышленность выпускает стабилитроны на напряжения стабилизации 4…200 В и максимальный ток 0,01…10 А.

Стабилитроны применяются в схемах различного типа стабилизаторов напряжения.