1.Полупроводниковые материалы, физические процессы в полупроводниках.

проводники ρ < 10^-6 Ом·м, полупроводники 10⁸ <ρ < 10^-6 Ом·м, диэлектрики ρ > 10⁸ Ом·м. Различие в электропроводности связано с различием в концентрации «свободных» – то есть способных участвовать в проводимости носителей заряда: Наибольшее применение в электронике находят Ge(германий), Si(кремний).

Структура чистого Si (условно).

А томы нейтральны «свободных» носителей заряда нет, кристалл не проводит электрический ток(при комнатной температуре и в темноте).Если валентный электрон получает достаточно энергии вследствие поглощения кванта эл. магнитного излучения(hv) или теплового движения(кТ), он может «оторваться» от своего атома.

Е₀ – энергия связи электрона с атомом. Чистые полупроводники (бес примесей) не встречаются. На самом деле в кристалле всегда есть примесь. В полупр-х вводят атомы определенного вещества, называется лидированием.

Кроме того, для придания нужных свойств в Ge и Si при их производстве вводят специальные примеси(10¹²-10¹⁹ см^-3), атомы которых имеют на внешней электронной оболочке 5(р) или 3(In) электронов (валентных). Структура с донором.

Четыре валентных электрона примесного атома участвуют в валентных связях, пятый – не нужен. Он связан с ионом +е примеси эл. ст. притяжения и «вращается» вокруг него как в атоме водорода (водородоподобная примесь). Сделано вследствие большой диэлектрической проницаемости (Е_Si=12; Е_Ge=16).

Энергия связи электрона с ионом примеси намного меньше, чем у свободного атома, а орбита – больше – значительно превышает период кристаллической решетки – (работает классическая модель атома водорода). Таким образом, энергии теплового движения при комнатной температуре (kT) оказывается более чем достаточно для того, чтобы электрон «оторвался» от «своего» иона и стал «свободным» то есть способным участвовать в проводимости.

Зонная диаграмма.

∆Е – энергия связи электрона с ионом примеси. В проводимости участвуют электроны – отрицательные заряды (негатив) – «n»-тип проводимости, полупроводник «n»-типа.

Для образования устойчивой электронной структуры атому In необходим еще один электрон, который может быть взят из соседнего атома Si Таким образом, атом In получает заряд - е, «поблизости» есть ион кремния с зарядом +е. Причем этот заряд (не атом!) может сравнительно свободно перемещаться по кристаллу и участвовать в проводимости. Зонная диаграмма.

Работа многих полупроводниковых приборов основана на свойствах контакта полупроводников разного типа проводимости.

В результате диффузии и рекомбинации носителей заряда в области возникает слой без свободных носителей (запирающий слой). Кроме того, по обе стороны от контакта располагаются неподвижные ионы разных знаков, которые создают в зоне контакта электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии.

Р-n переход обладает односторонней проводимостью.

2.Полупроводниковые резисторы.

1. Терморезисторы ─ полупроводниковые приборы (элементы), сопротивление которых меняется в зависимости от температуры. Условное обозначение.

Уменьшение (как правило) сопротивления связано с увеличением концентрации «свободных» носителей заряда и их подвижности.R=Ae^B/T

A=const; B – коэффициент температурной чувствительности; температурный коэффициент сопротивления α_Т ─ относительное изменение сопротивления при изменении температуры на 1⁰С (1 К).

∆R= R α_Т ∆T или α_Т= R*∆R/∆T или α_Т= R*dR/dT α_Т= – B/T²

Зависит от температуры, однако, в небольшом температурном диапазоне (100⁰С). Изменение невелико и возможно указать приблизительное значение (2÷5% К^-1).

Характеристики

Температурная характеристика.

Вольтамперная характеристика.

Применение.

1 Измерительные схемы.

2 Стабилизация напряжения.

3 Автоматика. для защиты от перегрузок.

Обозначение: СТ 1–17─ СТ 3–26.(сопрот. Термическое, 17-номер партии)

2. Варисторы – полупроводниковые приборы (элементы), сопротивление которых зависит от приложенного напряжения. Изготавливаются из порошка полупроводников (карбида кремния). Спеканием. Сопротивление изменяется за счет нагревания контактов между частицами полупроводников при протекании тока и др. явл. При увеличении напряжения (и тока) сопротивление уменьшается, поэтому ток I растет быстрее, чем U. Применение – в стабилизаторах напряжения, устройствах автоматики (защиты

Основные параметры:

R_ст. =U/I; R_динdU/dI β= R_ст. /R_дин

3.Фоторезисторы:

Приборы или элементы сопротивление которых меняется при освещении.

Слой полупроводника нанесенного на диэлектрическую пластинку.

Уменьшение сопротивления при освещенности происходит за счет генерации (межзонной) зарядов, что приводит к увеличению концентрации дырок и электронов

Параметры:

Rт-темновое сопротивление

Rс-сопротивление при освещенности

U=const

Iт-темновой ток

Ic-ток при освещенности

Iф-ток возникающий при освещении

∫-интегральная чувствительность(во всем диапазоне длин волн)

∫=Iф/Ф(люмены)

Характеристики:

Скорость генерации пропорциональна освещенности (~E)

Скорость генерации пропорциональна квадрату концентрации (~n^2)

Скорость рекомбинации пропорциональна скорости концентрации (n~E^0.5)

Обозначение : ФС2-5 –фотосопротивление (2-чувствительность или соотношение параметров)

ФСК К-указывает параметры или материал

Применение: пирометры, в инфракрасной технике (приборы ночного видения), в охраной сигнализации, устройства самонаведения.

Тензорезисторы (тензодатчики)

Тензорезисторы – полупроводниковые приборы, сопротивление которых зависит от деформации (давления). Это явление наблюдается и в проводниках (металлах), однако полупроводниковые тензодатчики обладают большей чувствительностью. Изменение сопротивления полупроводниковых тензорезисторов связано с изменением подвижности носителей заряда и их концентрации при деформации кристаллической решётки полупроводника.

Параметры:

R – номинальное сопротивление ( в недеформированном состоянии)

S = , - коэффициент тензочувствительности (ε = , – относительное удлинение). Тензорезисторы применяют для измерения деформации, ускорений, давления, в качестве датчиков перемещения и вибрации в системах сигнализации.