Тема 1.10 Основи напівпровідникової техніки

Електричні властивості напівпровідників. Усі речовини за електропровідністю, яка характеризується питомою електричною провідністю у, поділяються на такі класи:

· провідники (γ = 10⁶...10⁸ См/м);

· напівпровідники (γ = 10^-8...10⁵ См/м);

· діелектрики (γ = 10^-8...10^-13 См/м).

Напівпровідники займають проміжне положення між провідниками та діелектриками (звідси й походить їх назва). Головна особливість напівпровідників — зростання питомої електричної провідності з підвищенням температури, на відміну від провідників, у яких із підвищенням температури питома електрична провідність зменшується.

Крім того, електропровідність напівпровідників істотно залежить від зовнішніх чинників: нагрівання, опромінення, електричних і магнітних полів, тиску, прискорення, а також від наявності навіть дуже незначної кількості домішок. У сучасній електронній промисловості для виготовлення напівпровідникових кристалів (чіпів) використовується в основному кремній (Si). Застосовується також арсенід галію (GaAs) і германій (Ge).

Властивості напівпровідників можна пояснити за допомогою зонної теорії твердого тіла. Атоми будь-якої речовини складаються з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, які рухаються по замкнутих орбітах навколо ядра.

Головне положення (постулат) зонної теорії полягає в тому, що електрони не можуть мати довільне значення енергії, а тільки дискретні або квантовані значення. Тому електрон може рухатися тільки на певних дозволених орбітах, які відповідають дискретним значенням енергії.

Дозволені значення енергії W електрона можна показати наочно за допомогою діаграми рівнів енергії (рис.1.87).

Рис. 1.87 – Діаграма рівнів енергії електрона

Чим більше віддалена орбіта від ядра, тим більша енергія електрона на цій орбіті. Найвищі рівні займають валентні електрони, тобто електрони, які взаємодіють з іншими атомами, забезпечуючи молекулярні зв'язки. У твердому тілі атоми об'єднуються й утворюють кристалічну гратку. Електричні рівні окремих атомів розміщуються дуже близько один до одного і майже зливаються, утворюючи енергетичні зони. За аналогією з енергетичними рівнями окремих атомів, енергетичні зони у твердому тілі можуть бути дозволеними й забороненими. Енергетична зона, у якій розміщуються енергетичні рівні валентних електронів, називається валентною зоною. Дозволені зони, у яких відсутні електрони, називаються вільними зонами. Вільна зона, в якій знаходяться електрони, називається зоною провідності. Зона провідності завжди розташована вище від валентної зони.

Власна електропровідність напівпровідника. Поділ речовин за електропровідністю на провідники, напівпровідники, діелектрики з погляду зонної теорії можна пояснити таким чином.

Провідники — це речовини, у яких валентна зона і зона провідності перекриваються (рис.1.88, а). Якщо внести провідник в електричне поле, то електрон під дією поля отримуватиме енергію і переміщуватиметься на вищий рівень у зоні провідності, тобто по провіднику йтиме електричний струм.

У діелектриках валентна зона повністю заповнена електронами і відділена від зони провідності забороненою зоною (рис. 1.88, б. Для того щоб електрон перейшов із валентної зони у зону провідності, йому необхідно надати енергію, яка б перевищувала ширину забороненої зони ΔW_Д діелектрика. Енергії теплового руху недостатньо, щоб подолати цей бар'єр — заборонену зону, і тому за нормальних умов у зоні провідності діелектрика відсутні електрони — діелектрик не може проводити електричний струм.

У напівпровіднику (рис. 1.88, в) менша за ширину забороненої зони діелектрика. Якщо температура напівпровідника дорівнює нулю за термодинамічною шкалою, то вільних електронів у зоні провідності немає. З підвищенням температури (або внаслідок дії інших чинників, наприклад опромінення) частина ковалентних зв'язків розривається й електрони отримують енергію, достатню для того, щоб подолати енергетичний бар'єр (заборонену зону) і перейти у зону провідності. Втративши валентний електрон, атом перетворюється у додатний іон. На тому місці, де раніше був електрон, з'являється вільне («вакантне») місце — дірка. Дірку можна вважати за умовний носій заряду, що дорівнює заряду електрона, але позитивної полярності.

Рис. 1.88 – Зони провідності провідників (а), діелектриків (б), напівпровідників (в)

Процес утворення пар електрон-дірка називається генерацією пари носіїв заряду.

Зворотний процес — процес захоплення електрона діркою валентної зони називається рекомбінацією. Середня тривалість існування пари електрон-дірка між генерацією й рекомбінацією називається тривалістю життя носіїв заряду. Середня відстань, яку проходять носії заряду за тривалість життя, називається дифузною довжиною носіїв заряду. Перехід електрона з вищого енергетичного рівня провідності на нижчий рівень валентної зони супроводжується вивільненням енергії, яка випромінюється у вигляді кванту світла або передається кристалічній гратці.

Із збільшенням температури число генерацій за одиницю часу зростає, але зростає і число рекомбінацій. Таким чином, встановлюється динамічна рівновага для кожного значення температури. Концентрація електронів п дорівнює концентрації дірок р_і (п_і = р_і). Якщо відсутнє електричне поле, то електрони й дірки рухаються хаотично. Якщо ж на напівпровідник впливати зовнішнім електричним полем, то електрони й дірки, рухаючись хаотично, почнуть рухатися під дією поля: дірка у напрямі електричного поля, електрони — протилежно полю. Такий упорядкований рух електронів і дірок під дією електричного поля називається дрейфом.

Другим видом упорядкованого руху носіїв заряду є рух носіїв із зони з більш високою концентрацією носіїв у зону з меншою концентрацією. Такий вид упорядкованого руху називається дифузією.

Електропровідність напівпровідника, зумовлена генерацією носіїв заряду під дією зовнішніх чинників (нагрівання, опромінення і т. ін.), називається власною електропровідністю.

Домішкова електропровідність напівпровідників. Як зазначалося раніше, електропровідність напівпровідника значною мірою залежить від наявності мізерної кількості домішок. Це широко використовується в сучасній електронній промисловості для надання напівпровідникам заданих властивостей.

Найпоширеніший напівпровідниковий матеріал — кремній — чотиривалентний, тобто має чотири валентні електрони, що знаходяться на зовнішній оболонці атома кремнію. Кремній має кристалічну будову, тобто атоми кремнію розміщені у вузлах кристалічної гратки і зв'язані з чотирма сусідніми атомами гратки ковалентними зв'язками (рис. 1.89).

Рис. 1.89 - Кристалічна гратка кремнію

Для домішок використовують або п'ятивалентні елементи (сурма, миш'як, фосфор), або тривалентні (індій, галій, алюміній).

Наприклад, у разі заміщення у кристалічній гратці атома кремнію атомом п'ятивалентного миш'яку, чотиривалентні електрони атома миш’яку утворюють ковалентні зв'язки з сусідніми атомами кремнію, а п'ятий електрон буде вільним (рис. 1.90).

рис. 1.90 - Кристалічна гратка кремнію з домішкою атомів миш’яку

Домішка, внесення якої збільшує концентрацію вільних електронів, називається донорною домішкою. З погляду зонної теорії внесення донорної домішки у напівпровідник створює домішкову валентну зону, яка або перекривається зоною провідності, або відділена від неї вузькою забороненою зоною ΔW_Д (рис. 1.91).

Для напівпровідника з донорною домішкою достатньо електричного поля з незначною напруженістю для того, щоб електрони з домішкової зони, долаючи невеликий бар'єр шириною ΔW_Д змогли перейти у зону провідності і забезпечили б проходження струму. Електропровідність напівпровідника з донорною домішкою забезпечується електронами, і тому такий напівпровідник називається п-напівпровідником (від negative — негативний).

Рис.1.91 - Зони провідності провідників кремнію з домішкою атомів миш’яку

Розглянемо тепер процеси у напівпровіднику, до складу якого внесли тривалентну домішку (наприклад, індій). Атом індію заміщує у вузлі кристалічної гратки атом кремнію. Три валентні електрони індію утворюють ковалентні зв'язки з трьома сусідніми атомами кремнію. Для утворення четвертого ковалентного зв'язку не вистачає одного .електрона, тобто утворюється «вакантне», незайняте місце — дірка (рис. 1.92). Домішка, внесення якої збільшує концентрацію дірок, називається акцепторною.

Рис. 1.92 - Кристалічна гратка кремнію з домішкою індію

Внесення акцепторної домішки у напівпровідник створює домішкову валентну зону, яка або перекривається валентною зоною, або відділена від неї вузькою забороненою зоною шириною ΔW_А (рис.1.93).

Рис. 1.93 - Зони провідності провідників кремнію з домішкою атомів індію

Для переходу електрона з валентної зони у домішкову необхідно подолати незначний бар'єр. Перехід електрона з валентної зони у домішкову породжує дірку у валентній зоні. Якщо подіяти на такий напівпровідник електричним полем, то електричний струм забезпечуватимуть в основному дірки валентної зони.

Тому напівпровідник з акцепторного домішкою має діркову провідність і називається р-напівпровідником (від positive — позитивний).

У р-напівпровідниках концентрація дірок, зумовлена внесенням акцепторної домішки, набагато більша за концентрацію електронів власної електропровідності напівпровідника. Тому дірки у р-напівпровіднику називаються основними носіями заряду, а електрони — неосновними.

У п-напівпровідниках, навпаки, основними носіями є електрони, а неосновними — дірки.

Напівпровідникові прилади.

Електронно-дірковий перехід та його властивості. Електронно-дірковим переходом, або просто р— п- переходом, називають ділянку на межі двох напівпровідників, один з них має електронну провідність (n-напівпровідник), а другий — діркову провідність (р - напівпровідник). Електронно-дірковий перехід застосовується майже в усіх напів­провідникових приладах.

Розглянемо процеси, які відбуваються в р—п - переході, утвореному в ре­зультаті контактного з'єднання напівпровідника п - типу і р - типу. У на­півпровіднику п - типу концентрація основних носіїв — електронів — наба­гато більша, ніж неосновних — дірок. У р - напівпровіднику, навпаки, кон­центрація дірок набагато перевищує концентрацію електронів, однак і р - напівпровідник і п - напівпровідник — електрично нейтральні.

Під дією різниці концентрації відбувається дифузія: дірок — в п - ділян­ку, а електронів в р - ділянку. В результаті дифузії баланс позитивних і нега­тивних зарядів порушується, напівпровідники перестають бути електрично нейтральними. У п - напівпровіднику з відходом електронів у р - ділянку з'яв­ляється нескомпенсований просторовий позитивний заряд іонів, які розміщені у вузлах кристалічної гратки. Аналогічно, в р - ділянці з відходом дірок у п - ділянку з'являється просторовий негативний заряд іонів. Просторові заряди розміщені у тонкому шарі товщиною кілька мікрометрів безпосередньо біля межі між ділянками р- та п-типу. Цей подвійний шар просторових зарядів і є власне р— п -переходом. Він збіднений основними носіями, оскільки іони, які утворюють просторовий заряд, розміщені у вузлах кристалічної гратки і рухатися не можуть. Тому питомий опір подвійного шару набагато більший за питомий опір напівпровідника. Цей шар називають запірним.

Позитивний і негативний просторові заряди розділені межею між ділян­ками і тому створюють електричне поле, напруженість якого спрямована від позитивного просторового заряду до негативного. Таким чином, на межі двох ділянок виникає потенціальний бар'єр. Електричне поле перешкод­жає подальшій дифузії основних носіїв через бар'єр.

Водночас під дією температури відбувається генерація неосновних носіїв у запірному шарі, для яких електричне поле р— п - переходу є прискорювальним.

Таким чином, через р — п - перехід у протилежних напрямах протікають два струми: струм основних носіїв під дією різниці концентрацій (дифуз­ний струм) і струм неосновних носіїв під дією електричного поля р— п - переходу (дрейфовий струм). Оскільки струм неосновних носіїв зумов­лений температурою, то цей струм називають тепловим.. У звичайних умовах ці два струми взаємно компенсують один одного.

Якщо до р- ділянки прикласти позитивний полюс зовнішнього джерела ЕРС, а до п - ділянки негативний полюс, напрям зовнішнього поля буде про­тилежним напряму електричного поля. Така полярність прикладеної на­пруги називається прямою. Вважають, що р— п - перехід зміщений у прямо­му напрямі. Зовнішнє поле частково або повністю компенсує електричне поле р — п - переходу, що спричинює різке збільшення дифузного струму. Дрейфо­вий струм неосновних носіїв зумовлений температурою і від напруги майже не залежить, тому сумарний струм через р — п - перехід визначається дрейфовим струмом, і

р — п - перехід у цьому режимі вважається відкритим.

Якщо ж полярність зовнішнього джерела ЕРС поміняти: до р - ділянки прикласти негативний полюс, а до п - ділянки позитивний, то напрям зов­нішнього поля збігається з напрямом поля р — п - переходу. Така полярність прикладеної напруги називається зворотною, а р — п - перехід зміщується в зворотному напрямі.

Зовнішнє поле різко зменшує дифузний струм, оскільки воно спрямоване проти струму, ширина запірного шару зростає, відповідно зростає й опір р— п - переходу. Тепловий струм неосновних носіїв майже не залежить від напруги, а визначається кількістю генерацій пар електрон — дірка, яка в свою чергу залежить від температури. Сумарний струм через р— п - перехід визначається тільки тепловим струмом, р— п - перехід у цьому режимі вважається закритим.

Отже, р — п - перехід має таку основну властивість: якщо полярність зовніш­ньої прикладеної напруги пряма, то р— п - перехід відкритий і пропускає струм, а якщо зворотна, — то р— п - перехід закритий і струм майже не пропускає.

Характеристика та застосування напівпровідникових приладів.

Напівпровідникові діоди. Напівпровідниковим діодом називають напівпровідниковий прилад з одним р— п - переходом і двома виводами (рис.1.94). Класифікують діоди за такими ознаками:

· основним напівпровідниковим матеріалом: кремнійові, германієві, арсенид-галієві;

· фізичною природою процесів: фотодіоди, світлодіоди та ін.;

· призначенням: випрямні, імпульсні, стабілітрони;

· технологією виготовлення: сплавні, дифузійні та ін.;

· типом переходу: точкові і площинні.

На електричних схемах напівпровідниковий діод зображається так, як показано на рис. 1.94 позначається VD.

Рис.1.94 – Склад та зображення напівпровідникового діоду

Найважливішою характеристикою діода, яка наочно ілюструє його властивості, є його вольт-амперна характеристика. Якщо до р— п - переходу прикласти напругу у прямому напрямі (рис.1.95), діод відкриється і виникне відносно великий струм. Залежність між прямою напругою і прямим струмом зображається прямою віткою вольт-амперної характеристики. Пряма напруга на діоді становить близько 0,7 В для кремнієвого і близько 0,3 В для германієвого діодів.

Рис. 1.95 - Вольт-амперна характеристика діода

Якщо прикласти напругу зворотної полярності U_зв, то діод закривається і в ньому спостерігається дуже малий зворотний струм І_зв. Цей струм майже не залежить від зворотної напруги, що зображається зворотною віткою вольт-амперної характеристики.

Випрямні діоди призначені для перетворення змінного струму в пульсуючий струм однієї полярності в некерованих випрямлячах, в яких використовується властивість однобічної провідності діода.

Стабілітрон — це напівпровідниковий діод (рис.1.96), принцип роботи якого ґрунтується на тому, що зворотна напруга на р—п - переході в діапазоні електричного пробою майже не змінюється у разі значної зміни струму.

Рис.1.96 - Вольт-амперна характеристика стабілітрона

На електронних схемах стабілітрон зображається так, як показано на рисунку 1.97.

Рис. 1.97 – Зображення стабілітрона на схемі

Явище електричного пробою р— п - переходу полягає в тому, що у випадку збільшення зворотної напруги на р— п - переході до деякого значення U_m неосновні носії заряду набувають енергію, достатню для ударної іонізації атомів напівпровідника. У р— п - переході починається лавиноподібна генерація носіїв заряду — електронів і дірок, що спричиняє різке зростання зворотного струму через р— п - перехід за умови майже незмінної зворотної напруги. Робочою ділянкою є ділянка зворотної вітки характеристики р— п - переходу (ab на рис. 1.97). До джерела напруги стабілітрон вмикається у зворотному напрямі послідовно з баластним резистором R_Б, який призначений для обмеження струму у колі (рис. 1.98).

Стабілітрони застосовуються у схемах стабілізаторів напруги і струму, у стабілізованих джерелах напруги, а також для побудови обмежувачів напруги.

Варикапи — напівпровідникові діоди (рис. 1.98), в яких використовується бар'єрна ємність закритого р— п - переходу, значення якої залежить від прикладеної до діода зворотної напруги. Основною характеристикою варикапа є його вольт-фарадна характеристика: , тобто залежність ємності варикапа від прикладеної зворотної напруги.

Рис. 1.98 – Характеристика варикапа

Варикапи застосовуються в радіоприймачах, системах дистанційного керування для автоматичного налаштування частоти електричним способом.

Біполярні транзистори. Транзистором називається напівпровідниковий триелектродний прилад, призначений для підсилення, генерування або перетворення електричних сигналів і перемикання електричних імпульсів у схемах. Широкого розповсюдження набули транзистори, які мають два p-n - переходи. У них використовуються заряди носіїв обох полярностей. Такі транзистори називаються біполярними.

Основним елементом біполярного транзистора (рис. 1.99) є кристал германію або кремнію, в якому утворено три зони різної провідності. Дві крайні зони завжди дають провідність одного типу, протилежного провідності середньої зони.

Рис. 1.99 - Схема будови біполярного транзистора:

а — типу п-р-п; б — типу р-п-р.

Транзистори (рис. 1.99, а), в яких крайні зони мають електронну провідність, а середня — дірчасту, називаються транзисторами типу п-р-п.

Транзистори (рис. 1.99, б), в яких крайні зони мають дірчасту провідність, а середня — електронну, називаються транзисторами типу р-п-р. Фізичні процеси, що відбуваються у транзисторах обох типів, подібні.

Середня зона транзистора називається базою (Б), одна крайня — емітером (Е), друга крайня — колектором (К). До кожної зони припаяні виводи, за допомогою яких прилад вмикається у схему. Один із р-п - переходів у транзисторі називається емітерним (між емітером та базою), другий — колекторним (між базою та колектором). Відстань між ними дуже мала — декілька мікрометрів. Відповідно зона бази являє собою дуже тонкий шар. Крім того, концентрація атомів домішок у зоні бази в багато разів менша, ніж в емітері. Це — важлива умова роботи транзистора.

Транзистор може бути ввімкнений у підсилювальний каскад трьома різними способами (рис. 1.100): за схемою із загальною базою, із загальним емітером, із загальним колектором. Принцип підсилювання електричних коливань у різних схемах однаковий, але кожна із схем має відмінні від інших властивості.

У схемі з загальною базою (рис. 1.100, а) вхідний сигнал подається до виводів емітера і бази, а джерело живлення колектора та опір навантаження ввімкнені між виводами колектора і бази. Підсилювальний каскад, зібраний за схемою з загальною базою, має малий вхідний опір (одиниці Ом) та більший вихідний (сотні кілоом). Малий вхідний опір каскаду із загальною базою є його недоліком. У багатокаскадних схемах цей опір частково шунтує навантаження попереднього каскаду й різко знижує підсилення цього каскаду за напругою і потужністю. Тому між каскадами, складеними за схемою із загальною базою, вмикають спеціальні узгоджувальні пристрої (наприклад, трансформатори). Цей недолік обмежує використання даної схеми у підсилювальних пристроях. Схема із загальною базою має коефіцієнт підсилення за напругою і потужністю до тисячі.

Рис1.100 - Схема вмикання транзисторів:

а — із загальною базою; б — із загальним емітером; в — із загальним колектором

У схемі із загальним емітером (рис. 1.100, б) вхідний сигнал подається до виводів емітера і бази, а джерело живлення колектора і послідовно з'єднаного з ним навантажувального опору ввімкнені між виводами емітера і колектора. Отже, емітер є загальним електродом для вхідного та вихідного кола. Вхідний опір каскаду із загальним емітером складає сотні Ом, а вихідний — десятки кілоом. Це дає змогу в багатокаскадному підсилювачі не використовувати спеціальні узгоджувальні пристрої між каскадами.

Важливою перевагою схеми із загальним емітером порівняно зі схемами із загальною базою та загальним колектором є велике підсилення за струмом. Коефіцієнт підсилення за напругою для схеми із загальним емітером приблизно такий, як і в схемі з загальною базою. Коефіцієнт підсилення за потужністю для схеми із загальним емітером досягає декількох тисяч.

У схемі з загальним колектором (рис. 1.100, в) вхідний опір дуже великий (десятки й сотні кілоом), а вихідний — дуже малий (десятки або сотні Ом). Тому каскад із загальним колектором має коефіцієнт підсилення за напругою менше одиниці, за струмом — більше десяти, а за потужністю — менше, ніж за струмом.

Ця схема використовується в основному для узгодження опорів між окремими каскадами або між виходом підсилювача і низькоомним навантаженням.

Тиристори — напівпровідникові прилади, які мають три або більше послідовно утворених р-п - переходів. Тиристори поділяються на діодні й тріодні. Діодні тиристори (рис. 1.101, а) мають два виводи із зовнішніх зон і називаються динисторами. Тріодні тиристори (рис. 1.101, б) мають три виводи і називаються тринисторами. Електрод, який забезпечує електричний зв'язок із зовнішньою п -зоною, називається катодом К, а з зовнішньою р - зоною — анодом А. У тринисторах із внутрішньою р - зоною з'єднаний керуючий електрод (К). Крайні електронно-дірчасті переходи називаються емітерними (ЕП), середній перехід — колекторним (КП), внутрішні зони структури, які лежать між переходами, називаються базами.

Рис. 1.101 - Схема чотиришарової структури динистора (а) і тринистора (б).

Основною властивістю чотиришарової структури тиристорів є їхня здатність перебувати у двох станах стійкої рівноваги: відкритому й закритому, що дає можливість використовувати тиристори як перемикаючі напівпровідникові прилади.

На вольт-амперній характеристиці динистора (рис. 1.102) виділено зону великого опору (ділянка 0 — 1), лавинного пробою (ділянка 1 — 2), від'ємного опору (ділянка 2 — 3), малого опору (ділянка 3 — 4) і зворотну вітку вольт-амперної характеристики (ділянка 0 — 5). Якщо на динистор подати пряму напругу, тобто плюс на р і мінус на п - зовнішні зони, то обидва емітерні переходи будуть відкриті, а колекторний перехід — закритий. Таким чином, на ділянці 0 — 1 значне зростання напруги супроводжується малим зростанням струму. При напрузі U_вмик динистор відкривається і через нього протікає струм, величина якого зумовлена напругою живлення та опором навантаження.

Рис. 1.102 - Схема (а) і вольт-амперна характеристика (б) динистора.

У цьому стані динистор перебуватиме доти, доки струм з будь-якої причини не зменшиться до визначеного значення, яке називається струмом утримування. При цьому динистор переходить у початковий стан.

Увімкнений стан динистора характеризується відносно великим струмом, який проходить через нього, і малим падінням напруги. Вимкнений стан — малим струмом, який проходить через динистор, і відносно великою напругою, але меншою за U_вмик.

При відсутності напруги на керуючому електроді (I_K = 0) вольт-амперна характеристика тринистора (рис. 1.103) така сама, як і динистора. Якщо на керуючий електрод подати позитивну відносно катода напругу, то тиристор ввімкнеться (відкриється)

Рис. 1.103 - Схема (а) і вольт-амперна характеристика (б) тринистора.

і при меншому значенні U_вмик. У ввімкненому стані тиристор буде доти, доки струм утримування не стане меншим за визначене для даного тиристора значення.

Щоб вимкнути (закрити) тиристор, треба подати на нього напругу зворотної полярності або вимкнути з мережі. Під час живлення тиристора від змінної напруги він закривається при негативній півхвилі напруги.

Оскільки динистори і тринистори відкриваються напругою однієї полярності, що не завжди зручно, розроблено симетричні тиристори, які називаються семисторами. Вони можуть пропускати робочий струм у двох напрямках. Основою семистора є п'ятишарова напівпровідникова структура п-р-п-р-п, що аналогічно двом динисторам, які ввімкнені зустрічно-паралельно. Семистор може переходити із закритого стану у відкритий за будь-якої полярності напруги. Для керування семистором до однієї з його зон р - типу вмикають керуючий електрод.

Зони використання тиристорів застосовують у безконтактній комутаційній апаратурі, пристроях промислової електроніки та радіоелектроніки, різних схемах керованих випрямлячів, у перетворювачах енергії.

Оптоелектронні прилади. В оптоелектронних приладах використовується електромагнітне випромінювання оптичного діапазону для приймання, перетворення, передачі та збереження інформації. Принцип дії цих приладів заснований на фотоелектричних явищах (фотоефектах). Фотоефекти поділяються на внутрішні й зовнішні.

Внутрішній фотоефект — це збудження електронів речовини, тобто їхній перехід на вищий енергетичний рівень під дією променевої енергії, Що призводить до зміни концентрації вільних носіїв зарядів, відповідно і до зміни електропровідності речовини. Це явище має місце тільки у напівпровідниках.

Внутрішній фотоефект може з'явитися в однорідних напівпровідниках у вигляді електричної провідності, а в неоднорідних — в утворенні е.р.с.

Рис. 1.104 - Схема фоторезистора:

1 — підложка; 2 — світлочутливий матеріал; 3 — електрод; 4 — отвір для пропускання світла.

Зовнішній фотоефект — це фотоелектронна емісія, тобто вихід електронів за межі поверхні речовини під дією променевої енергії.

Фоторезистори — напівпровідникові прилади, в яких електричний опір змінюється залежно від інтенсивності й спектрального складу падаючого випромінювання. Основою фоторезистора (рис. 1.104) є напівпровідникова пластина або плівка, електричний опір якої під дією освітлення змінюється. На підложку 1 наноситься світлочутливий матеріал 2, до якого ввімкнені електроди 3. Чутливий елемент розміщують у корпусі, який має отвір 4 для пропускання світла. Підложка виконується з непровідного матеріалу: скла, кераміки, кварцу. Як світлочутливий матеріал використовують напівпровідникові з'єднання: сульфід або телурид кадмію, сірчистий свинець, антимонід індію.

Фоторезистори мають велику інерційність, що зумовлено часом генерації та рекомбінації носіїв зарядів при зміні освітленості, внаслідок чого фотострум не встигає змінюватися за зміною освітленості. Тому їх не можна використовувати у швидкодіючих пристроях. Але простота конструкції, мала маса, стабільність у роботі, необмежений строк служби дають змогу широко використовувати їх у пристроях автоматики, контролю, вимірювання.

Фотодіоди — напівпровідникові прилади з одним р - n- переходом, принцип дії якого заснований на внутрішньому фотоефекті (рис. 1.105, а). їхня будова подібна до будови звичайного діода, але в корпусі, де розміщено діод, є отвір, через який потрапляє світло.

Схему ввімкнення діода наведено на рис. 1.105, б. Напруга джерела живлення прикладається до фотодіода у зворотному напрямку. Якщо фотодіод не освітлений, то в колі під дією напруги проходить невеликий зворотний струм.

При освітленні фотодіода з'явиться додаткове число носіїв зарядів, що призведе до збільшення струму в електричному колі. Фотодіод можна вмикати в схеми у фотодіодному і вентильному режимах. У фотодіодному режимі роботи фотодіод вмикається в схему із зовнішнім джерелом живлення.

У вентильному режимі у фотодіоді під дією світлового потоку виникає е.р.с, і тому він не потребує стороннього джерела напруги.

Рис. 1.105 - Умовне позначення (а) і схема ввімкнення (б) фотодіода

Фототранзистори — напівпровідникові прилади з двома р-п - переходами, які призначені для перетворення світлового потоку в електричний струм. На відміну від фотодіода утворений у фототранзисторі фотострум підсилюється.

Будова (рис. 1.106) та принцип дії фототранзистора такі самі, як і біполярного транзистора.

Рис. 1.106 - Умовне позначення (а) і схема ввімкнення (6) фототранзистора.

Якщо освітлення відсутнє, через транзистор проходить невеликий струм. Якщо транзистор освітлений, у його базі генеруються електронно-дірчасті пари. Неосновні носії зарядів переходять у зону колектора і частково в зону емітера, що впливає на зміну потенціалів емітера і колектора відносно бази. Емітерний перехід зміщується в прямому напрямку. Зміна потенціалу емітерного переходу викликає велику зміну струму колектора, тобто транзистор є підсилювачем.

На відміну від фотодіода у фототранзисторі є ще й інша складова фотоструму. Так, відхід дірок з бази призводить до утворення в ній нескомпенсованого негативного об'ємного заряду і до зниження потенційного бар'єра емітера. Внаслідок цього збільшується число дірок, які інжектуються емітером у базу, а відповідно — і число дірок, які переходять з бази в колектор. Тому чутливість фототранзистора значно вища від чутливості фотодіода.

Фототранзистори використовують як чутливі елементи в системах контролю, автоматичних пристроях, фототелеграфії тощо.

Фототиристори — напівпровідникові фотоелектричні прилади з трьома р-п -переходами, які поєднують в собі якості тиристора і перетворювача світлової енергії в електричну. Фототиристори виготовляють у вигляді чотиришарової р-п-р-п структури (рис. 1.107). Джерело напруги вмикають до фото тиристора так, щоб напруга на переході ПІ і ПЗ подавалася у прямому напрямку, а на перехід П2 — у зворотному. Робота фототиристора при відсутності освітлення не відрізняється від роботи звичайного тиристора. Якщо подати на фототиристор напругу, яка не перевищує величину U_вмик, то струм у тиристорі, який зумовлений рухом неосновних носіїв зарядів через перехід П2, буде дуже малим. Тиристор буде закритий. Щоб його відкрити, треба через отвір у корпусі подати світловий потік

Рис. 1.107 - Умовне позначення (а) і схема ввімкнення (б) фототиристора.

При освітленні у фототиристорі утворяться електронно-дірчасті пари (вільні носії зарядів), які створюють первинні фотоструми, внаслідок чого утворюється загальний фотострум.

При збільшенні світлового потоку напруга U_вмикё зменшується. Отже, світловий потік у фототиристорі відіграє таку саму роль, як і напруга на керованому електроді у звичайному тиристорі.

Фототиристори порівняно з іншими фотоприймачами мають значну перевагу. Вони характеризуються великою швидкодією, високою чутливістю, підтримують відкритий стан після зняття керуючого сигналу (тобто мають пам'ять). Використовуючи фототиристори, можна обійтися без додаткових каскадів підсилення, оскільки вони дають змогу отримати потрібний вихідний сигнал. Висока навантажувальна здатність фототиристора досягається малою потужністю керуючого сигналу. Отже, фототиристори належать до приладів ключового типу з високою чутливістю, а також великою комутаційною потужністю.

Світлодіоди — напівпровідникові прилади з одним р-п - переходом, які перетворюють електричну енергію в енергію некорегентного світлового випромінювання. Принцип дії світлодіодів грунтується на випромінюванні квантів світла при рекомбінації пар електрон — дірка. Для виготовлення світлодіодів використовують напівпровідникові матеріали подвійних і потрійних з'єднань. Діоди, виготовлені на основі фосфіду галію, світяться червоним, жовтим і зеленим світлом, залежно від домішок, а діоди, виготовлені на основі карбіду кремнію,— фіолетовим.

Спрощену схему конструкції світлодіода показано на рис. 1.108.

Рис. 1.108 - Умовне позначення (а) та спрощена схема конструкції (б) світлодіода:

1 — монокристал; 2 — скляна лінза; З — виводи.

Його основу складає монокристал п - типу 1, в якому утворений р-п - перехід. Монокристал розміщений у скляній лінзі 2, яка пропускає випромінюване світло. Від зон п- і р- типу зроблені виводи 3 з металу, стійкого до корозії (золота, срібла).

Світлодіоди широко використовуються у схемах індикації, системах фотопам'яті, в електронних цифрових годинниках, системах нічного бачення, ядерній радіоелектроніці, автоматиці, обчислювальній техніці тощо.

Оптрони — комбіновані прилади, які складаються з джерела і приймача випромінювання і мають між собою оптичний та електричний зв'язок.

Джерело випромінювання і приймач об'єднані в одному корпусі. Джерелом випромінювання, тобто світловипромінювачем, служить світлодіод, а приймачами випромінювання — світлочутливі детектори, фотодіоди, фототранзистори, фототиристори.

У фоторезисторному оптроні (рис. 1.109, а) випромінювачем служить світлодіод, а також надмініатюрні лампи. Фотоприйомним елементом у ньому є напівпровідниковий фотоопір. Змінюючи силу світла (зміною стру