2) Полупроводниковые материалы, вещества с четко выраженными свойствами полупроводников в широком интервале температур, включая комнатную (~ 300 К), являющиеся основой для создания полупроводниковых приборов. Удельная электрическая проводимость а при 300 К составляет 10⁴ ~ 10¹⁰ Ом^-1·см^-1 и увеличивается с ростом температуры. Для полупроводниковых материалов характерна высокая чувствительность электрофизических свойств к внешним воздействиям (нагрев, облучение, деформации и т.п.), а также к содержанию структурных дефектов и примесей.

Полупроводниковые материалы по структуре делятся на кристаллические, твердые аморфные и жидкие. Наибольшее практическое применение находят неорганические кристаллические полупроводниковые материалы, которые по химическому составу разделяются на следующие основные группы. Элементарные полупроводники: Ge, Si, углерод (алмаз и графит), В, a-Sn (серое олово), Те, Se. Важнейшие представители этой группы - Ge и Si имеют кристаллическую решетку типа алмаза (алмазоподобны). Являются непрямозонными полупроводниками; образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов, также обладающих полупроводниковыми свойствами.

Соединения типа A^IIIB^V элементов III и V групп периодической системы. Имеют в основном кристаллическую структуру типа сфалерита. Связь атомов в кристаллической решетке носит преимущественно ковалентный характер с некоторой долей (до 15%) ионной составляющей. Плавятся конгруэнтно (без изменения состава). Обладают достаточно узкой областью гомогенности, т.е. интервалом составов, в котором в зависимости от параметров состояния (температуры, давления и др.) преимущественный тип дефектов может меняться, а это приводит к изменению типа проводимости (n, р) и зависимости удельной электрической проводимости от состава. Важнейшие представители этой группы: GaAs, InP, InAs, InSb, являющиеся прямозонными полупроводниками, и GaP - непрямозонный полупроводник. Многие полупроводниковые материалы типа А^IIIВ^V образуют между собой непрерывный ряд твердых растворов - тройных и более сложных (Ga_xAl_1-xAs, GaAs_xP_1-x, Ga_xIn₁__xP, Ga_xIn_1-xAs_yP_1-y и т.п.), также являющихся важными.

3) Зависимость электропроводимости полупроводника от различных внешних воздействий служит основой разнообразных технических приборов. Так, уменьшение сопротивления используется в термисторах, уменьшение сопротивления при освещении– в фоторезисторах. Появление ЭДС при прохождении тока через полупроводник, помещённый в магнитное поле (эффект Холла) применяется для измерения магнитных полей, мощности и т.д. Особенно ценными свойствами обладают неоднородные полупроводники (с изменяющейся от одной части объёма к другой проводимостью), а также контакты разных полупроводников между собой и полупроводников с металлами. Возникающие в таких системах эффекты наиболее ярко проявляются у электронно-дырочных переходов (р-п-переходом). Использование р-п-переходов лежит в основе действия многих полупроводниковых приборов: транзистора, полупроводникового диода, полупроводникового фотоэлемента, термоэлектрического генератора, солнечной батареи.

60-е – 70-е годы составляют эпоху полупроводниковой техники и собственно электроники. Электроника внедряется во все отрасли науки, техники и народного хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой.

В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались пальчиковые и сверхминиатюрные лампы, что давало возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф.Иоффе.

Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германиевые диоды. В 1948 г. американские учёные Бардин и Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод. В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

4) Все бесчисленное множество полупроводниковых приборов можно условно разделить на две большие группы: биполярные и униполярные.

К биполярным приборам следует отнести все те приборы, для работы которых принципиально важно наличие двух типов носителей электронов и дырок. К приборам этого типа, как правило, относят все устройства, в которых управление электронным потоком осуществляется с помощью электронно-дырочного перехода (pn - перехода). В приборах этого типа перенос энергии сигнала осуществляется поочередно электронами, дырками или теми и другими одновременно.

К униполярным приборам относятся приборы, в которых осуществляется управление потоками, состоящими преимущественно из носителей одного типа, либо электронов, либо дырок.

По реакции на входной сигнал приборы можно разделить на усилительные (активные), преобразовательные и пассивные.

Усилительные или активные приборы увеличивают мощность входного сигнала за счет энергии, поступающей из источника питания.

На рис. 16 приведены обозначения приборов, приведенных в таблице. Пассивные приборы не обладают усилительными свойствами. Преобразовательные приборы преобразуют форму сигнала, при этом они могут быть как усилительными, так и пассивными.

Биполярные приборы.

Диоды. Диоды.

Структура активной области: "pn".

Рис. 16. Обозначения диодов : 1 - выпрямительный и детектирующий диод, 2 - туннельный диод, 3 - стабилитрон, 4 - варикап (полупроводниковая переменная емкость), 5 - светоизлучающий диод (светодиоды).

Биполярные транзисторы.

Структура активной области может быть как "pnp", так и "npn".

Возможные применения: это универсальные усилительные приборы, предназначенные для применения в схемах усиления, генерации и преобразования сигналов.

Рис. 16. Обозначения биполярных транзисторов : 1 - pnp типа, 2 - npn типа.

Тиристоры.

Структура активной области: "pnpn".

Это - активный прибор, предназначенный для работы в качестве быстродействующего электронного ключа. В выключенном состоянии (off) тиристор обладает большим сопротивлением и ток через него чрезвычайно мал, во включенном состоянии сопротивление тиристора мало и проходящий через него ток может быть большим.

Тиристоры могут быть диодные (два электрода) и триодные (три электрода). Они могут иметь симметричную и несимметричную характеристику. Триодные тиристоры могут быть запираемые и незапираемые.

В обозначении марки тиристора вторым элементом является буква, для диодных тиристоров - Н, для триодных У, третий элемент, как и у транзисторов - цифра, которая характеризует подклассы приборов по значениям рассеиваемой ими мощности и возможности запирания.

Рис. 17. Графические обозначения тиристоров: 1 - тиристор диодный (динистор), 2 - тиристор незапираемый триодный с управлением по аноду, 3 - тиристор незапираемый триодный с управлением по катоду, 4 - тиристор запираемый с управлением по аноду, 5 - тиристор запираемый с управлением по катоду.

Примеры маркировки тиристоров: 2Н102 - маломощные незапираемые тиристоры, 2У208 - незапираемые триодные тиристоры средней мощности.

Униполярные приборы.

Диоды с контактом металл-полупроводник (диоды Шоттки).

Структура активной области : металл-полупроводник.

Возможные применения те же, что и у диодов с pn переходом.

Обозначение этих диодов совпадает с обозначениями принятыми для диодов с "pn" переходом, поскольку основное их функциональное назначение такое же, что и у биполярных диодов.

Полевые транзисторы.

Полевые транзисторы можно разделить на две большие группы: полевые транзисторы с управляющим pn - переходом и полевые транзисторы со структурой металл-диэлектрик полупроводник (МДП). Поскольку в качестве диэлектрика часто используется окисел кремния, поэтому транзисторы этого типа называют еще МОП - транзисторами (по первым буквам сочетания слов: металл - окисел - полупроводник). Для обозначения подкласса полевых транзисторов используется буква П. Поскольку эти транзисторы выполняют те же функции, что и биполярные, для них в классификационном обозначении используется тот же элемент, что и для биполярных транзисторов (см. табл. 4, третью колонку). Так например, полевые транзисторы могут имеет следующие марки*: КП101, КП201, КП301, КП901 и т.п.

Рис. 18. Графические обозначения полевых транзисторов: 1 - полевой транзистор с n - каналом, 2 - полевой транзистор с p - каналом, 3 - полевой транзистор с изолированным затвором и p - каналом, 4 - полевой транзистор с изолированным затвором и n - каналом.

Поскольку полевые транзисторы являются униполярными приборами, тип канала, по которому протекает ток, определяется типом основных носителей заряда и может быть как p-типа, так и n- типа.

Полевые транзисторы являются универсальными усилительными приборами и они, так же как и биполярные транзисторы могут применяться в схемах самого разного назначения.  

5) Система обозначений полупроводниковых приборов Pro Electron (Европа)

Система обозначений полупроводниковых приборов Pro Electron состоит из трёх элементов: 1-й элемент (буква) - обозначает материал полупроводника:

• A - Германий;

• B - Кремний;

• C - Арсенид галлия;

• D - Антимонид индия;

• R - Другие полупроводниковые материалы.

2-й элемент (буква) - обозначает подкласс полупроводниковых приборов:

• A - Диоды детекторные, быстродействующие, смесительные;

• B - Диоды с переменной ёмкостью;

• C - Транзисторы низкочастотные маломощные (Rthja > 15 °C/Вт);

• D - Транзисторы низкочастотные мощные (Rthja < 15 °C/Вт);

• E - Диоды туннельные;

• F - Транзисторы высокочастотные маломощные (Rthja > 15 °C/Вт);

• G - Генераторные диоды, сложные приборы (в одном корпусе несколько различных приборов);

• H - Измерители напряжённости поля (магниточувствительные диоды);

• K - Генератор Холла (приборы на основе эффекта Холла);

• L - Транзисторы высокочастотные мощные(Rthja < 15 °C/Вт);

• M - Модуляторы и умножители на основе эффекта Холла;

• P - Светочувствительные (фотоприёмные) приборы (фотодиоды, фототранзисторы и др.);

• Q - Излучающие приборы;

• R - Приборы, работающие в области пробоя;

• S - Транзисторы переключающие маломощные;

• T - Регулирующие и переключающие приборы, мощные управляемые выпрямители (Rthja <15 °C/Вт);

• U - Транзисторы переключающие мощные;

• X - Диоды умножительные;

• Y - Диоды выпрямительные мощные;

• Z - Стабилитроны.

3-й элемент - порядковый номер для приборов широкого применения или буква и порядковый номер для приборов специального применения Дополнительный код (добавляется через дефис или дробную черту): 1) Для стабилитронов указывается допуск ("A" – ±1 %, "B" – ±2 %, "C" – ±5 %, "D" – ±10 %, "E" – ± 15 %) и напряжение стабилизации (буква "V" обозначает десятичную точку (запятую) между цифрами). Например, BZY85-C9V1, - это кремниевый стабилитрон специального назначения с регистрационным номером 85, напряжением стабилизации 9,1 В ± 5 %. 2) Для выпрямительных диодов указывается максимальная амплитуда обратного напряжения. Например, BTY12-200 – это кремниевый тиристор специального назначения с регистрационным номером 10 и напряжением 200 В Примечания: 1) В Польше используется система Pro Electron, но с польским акцентом:        а) Для приборов широкого применения в конец буквенного обозначения (перед порядковым номером) ставится буква "P", для приборов специального применения - буквы "YP";        б) Вместо буквы "Y" могут стоять "Z", "X" или "W". 2) Буквы "G" и "K" в бывшей Чехословакии и буквы "G" и "S" в бывшей ГДР обозначают соответственно германий и кремний, и ставятся перед обозначением Pro Electron.

6)Типы полупроводниковых диодов

Полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом, работа которого заключается в преобразования одних электрических значений в другие, называют диодом. В конструкции данного изделия предусматривается два вывода для монтажа.

На принципиальных электрических схемах полупроводниковые диоды изображаются в виде треугольника и отрезка, расположенного на одной из его вершин и находящегося параллельно противолежащей стороне.

• выпрямительные, импульсные и универсальные

• стабилитроны и стабисторы

• туннельные

• обращенные

• варикапы

В зависимости от разработки диода его обозначение может включать дополнительные символы. В любом случае вершина треугольника, примыкающая к осевой линии диода, указывает на направление протекания тока.

В той части обозначения, где располагается треугольник, находится p-область, которую ещё называют анодом или эмиттером, а со стороны, где к треугольнику примыкает отрезок, находится n-область, которую соответственно называют катодом, или базой.

Полупроводниковые диоды, назначение которых заключается в преобразовании переменного тока в постоянный ток, называются выпрямительными. Выпрямление переменного тока с использованием полупроводникового диода построено на основе его односторонней электропроводности, которая заключается в том, что диод создаёт очень малое сопротивление току, текущему в прямом направлении, и достаточно большое сопротивление обратному току.

Для того чтобы выпрямить ток большой силы не опасаясь теплового пробоя, конструкция диодов должна предусматривать значительную площадь p-n-перехода. В связи, с чем в выпрямительных полупроводниковых диодах задействуют специальные p-n-переходы соответствующие последнему слову науки и техники.

Технология создания p-n-перехода получается, за счёт ввода в полупроводник p-или n-типа примеси, которая создаёт в нем область с противоположным значением электропроводности. Примеси можно добавлять методом сплавления или диффузии.

Диоды, получаемые методом сплавления, называют «сплавными», а изготавливаемые методом диффузии «диффузионными».

В ходе положительного полупериода входного напряжения U₁ диод V работает в прямом направлении, его сопротивление маленькое и на нагрузке R_H напряжение U₂ практически равно входящему напряжению. При отрицательном полупериоде данного входного напряжения диод включен в направлении обратно, где его сопротивление формируется значительно больше, чем сопротивление на нагрузке, и почти все входящее напряжение падает на диоде, а напряжение на нагрузке приближается к нулю. В такой схеме для получения выпрямленного напряжения используется всего лишь один полупериод входящего напряжения, поэтому такой тип выпрямителей называется однополупериодным.

Полупроводниковые диоды, которые используются для стабилизации постоянного напряжения на нагрузке, называют стабилитронами. В стабилитронах задействован участок обратной участка вольтамперной характеристики в поле электрического пробоя.

В данном случае при изменении тока, проходящего через стабилитрон, от I_{ст. мин.} до I_{ст. макс.} напряжение на нем практически не изменяется. Если нагрузка R_H включена параллельно стабилитрону, уровень напряжения на ней также будет оставаться неизменным в указанных пределах изменения тока, проходящего через стабилитрон.

Такими диодами стабилизируют уровень напряжения примерно от 3,5 В и выше. Для стабилизации постоянного напряжения до 1 вольта применяют стабисторы. У стабисторов работает не обратная, а прямая часть вольтамперной характеристики. Поэтому их подсоединяют не в обратном, как делают со стабилитронами, а в прямом направлении. Электронные компоненты, такие как стабисторы и стабилитроны, как правило, изготовляются, из кремния.

Плоскостные диоды обладают с высокими ёмкостными характеристиками. С увеличением частоты емкостное сопротивление понижается, что приводит к нарастанию его обратного тока. На больших частотах вследствие того в диоде есть ёмкость, величина его обратного тока может достичь значения прямого тока, и этот диод, таким образом, утратит свое основное свойство односторонней электропроводности. Для сохранения своих функциональных качеств необходимо снизить емкость диода. Это достигается с помощью всевозможных технологических и конструктивных методов, направленных на сокращения площади p-n-перехода.

В диодах, используемых в схемах, работающих с высокочастотным током, применяют изделия с точечными и микросплавными p-n-переходами. Нужный точечный p-n-переход, получается в месте контакта заостренного окончания специальной металлической иглы с полупроводником. При этом применяют способ электроформования, заключающемся в том, что через соединение проволоки и кристалла полупроводники протекают импульсы электрического тока, формирующие в месте их контакта p-n-переход. Микросплавными называются такие диоды, у которых p-n-переход создаётся при электроформовании контакта между пластинкой полупроводника и металлическим предметом с плоским торцом.

7) ВЫПРЯМИТЕЛЬНЫЙ ДИОД (или выпрямитель), компонент ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ЦЕПИ, преобразующий ПЕРЕМЕННЫЙ ТОК в ПОСТОЯННЫЙ. Обычно это полупроводниковый диод, оказывающий высокое СОПРОТИВЛЕНИЕ току, текущему в одном направлении, и низкое сопротивление току, текущему в обратном направлении.

Основные параметры выпрямительных диодов:

• среднее прямое напряжение Uпр.ср. при указанном токе Iпр.ср.;

• средний обратный ток Iобр.ср. при заданных значениях обратного напряжения Uобр и температуры;

• допустимое амплитудное значение обратного напряжения Uобр.макс.;

• средний прямой ток Iпр.ср.;

• частота без снижения режимов.

Частотный диапазон выпрямительных диодов невелик. При преобразовании промышленного переменного тока рабочая частота составляет 50 Гц, предельная частота выпрямительных диодов не превышает 20 кГц.

По максимально допустимому среднему прямому току диоды делятся на три группы: диоды малой мощности (Iпр.ср. ≤ 0,3 А), диоды средней мощности (0,3 А < Iпр.ср. < 10 А) и мощные (силовые) диоды (Iпр.ср. ≥ 10 А).

В состав параметров диодов входят диапазон температур окружающей среды (для кремниевых диодов обычно от -60 до +125 °С) и максимальная температура корпуса.

Среди выпрямительных диодов следует особо выделить диоды Шотки, создаваемые на базе контакта металл-полупроводник и отличающиеся более высокой рабочей частотой (для 1 МГц и более), низким прямым падением напряжения (менее 0,6 В)

Предназначены для преобразования переменного тока  в постоянный.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) диода

 

На ВАХ реального Si-диода обозначена область электрического пробоя, когда при небольшом увеличении обратного напряжения ток резко возрастает. Этот пробой является обратимым явлением (если ток не превысит предельного значения и не произойдет вторичный тепловой пробой).

 

В режиме обратимого электрического пробоя работают стабилитроны. (Заметим, что такой пробой не характерен для Ge-диодов, у которых обратный ток возрастает не резко.)

Реальные ВАХ диодов зависят от тем-ры, с ростом тем-ры прямое падение напряжения уменьшается (у Si-диодов линейно в интервале от 0 до 100С с  коэф. 2мВ/С или 2.3мВ/С по другим данным, что используется для создания термодатчиков). Обратный ток при комн. тем-ре у Ge-диодов на 2-3 порядка больше, чем у Si-диодов и возрастает примерно в 1.5-2 раза с повышением тем-ры на 10 С для Ge-диодов, и в 2.5 раза для Si-диодов. Из графиков видно, что для Ge-диодов гораздо вероятнее тепловой пробой из-за резкого роста обратного тока при повышении тем-ры.

8) Стабилитрон (диод Зенера) — полупроводниковый диод, предназначенный для стабилизации напряжения в источниках питания. По сравнению с обычными диодами имеет достаточно низкое регламентированное напряжение пробоя (при обратном включении) и может поддерживать это напряжение на постоянном уровне при значительном изменении силы обратного тока. Материалы, используемые для создания p-n перехода стабилитронов, имеют высокую концентрацию примесей. Поэтому, при относительно небольших обратных напряжениях в переходе возникает сильное электрическое поле, вызывающее его электрический пробой, в данном случае являющийся обратимым (если не наступает тепловой пробой вследствие слишком большой силы тока).

Параметры

• Напряжение стабилизации — значение напряжения на стабилитроне при прохождении заданного тока стабилизации. Пробивное напряжение диода, а значит, напряжение стабилизации стабилитрона зависит от толщины p-n-перехода или от удельного сопротивления базы диода. Поэтому разные стабилитроны имеют различные напряжения стабилизации (от 3 до 400 В).

• Температурный коэффициент напряжения стабилизации — величина, определяемая отношением относительного изменения температуры окружающей среды при постоянном токе стабилизации. Значения этого параметра у различных стабилитронов различны. Коэффициент может иметь как положительные так и отрицательные значения для высоковольтных и низковольтных стабилитронов соответственно. Изменение знака соответствует напряжению стабилизации порядка 6В.

• Дифференциальное сопротивление — величина, определяемая отношением приращения напряжения стабилизации к вызвавшему его малому приращению тока в заданном диапазоне частот.

• Максимально допустимая рассеиваемая мощность — максимальная постоянная или средняя мощность, рассеиваемая на стабилитроне, при которой обеспечивается заданная надёжность.

Стабилитроном называется полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя при обратном смещении слабо зависит от тока в заданном его диапазоне, и который предназначен для стабилизации уровня напряжения в схеме. ВАХ стабилитрона реальная Идеальная ВАХ стабилитрона Основные параметры 1. Uст 2. Дифференциальное сопротивление Rдиф = 0.5 – 200 Ом 3. Iст min ток стабилизации минимальный 4. Iст max ток стабилизации максимальный Imax≈ Pmax/Uст В качестве стабилитронов применяют кремниевые диоды, обладающие большой устойчивостью к тепловому пробою. Кремниевые стабилитроны используются для стабилизации напряжений источников питания, а также для фиксации уровней U в различных схемах.