Аналоговая электроника

1 Полупроводниковые приборы

Полупроводником называется вещество, которое по своей удельной электрической проводимости располагается между проводником и диэлектриком (имеют узкую запрещенную зону), и отличается от проводника сильной зависимостью проводимости от внешних воздействий и концентрации примесей.

1.1 Зонная теория полупроводников

Если электрон атома в кристаллической решетке остается связанным с ядром, то он находится в зоне валентности, если оторван от ядра, то в зоне проводимости. Между этими зонами расположена запрещенная зона. Такой энергией электрон обладать не может(рис 1-1).

Рис.1-1 Энергетические зоны

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как простые вещества, например, алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn, так и химические органические и неорганические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC, бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Типичными представителями полупроводников являются элементы четвертой группы периодической системы: германий Ge и кремний Si.

Атомы полупроводника в кристаллической решетке связаны между собой парноэлектронными (ковалентными) связями. Эти связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации.

Связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации(рис.1-2).

Рис.1-2 Кристаллическая решетка полупроводника

При удалении электрона остается дырка, имеющая положительный заряд, равный заряду электрона. В чистом полупроводнике количество электронов и дырок одинаково np=nn=ni.

Число носителей заряда ni=Ae?E/kT – зависит от температуры и ширины запрещенной зоны.

Каждая ковалентная связь образуется парой электронов, составленной из одного электрона от первого, и одного - от второго атомов. В химически чистом полупроводнике все ковалентные связи заполнены и при температуре абсолютного нуля, в отличие от металлов, у полупроводников отсутствуют свободные носители зарядов. С увеличением температуры окружающей среды часть электронов возбуждается и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электронную проводимость полупроводника. Одновременно в полупроводнике возникает незаполненная ковалентная связь - дырка. Такая связь может быть восстановлена за счет электрона соседнего атома, т.е. разрушения соседней ковалентной связи. Многократное повторение подобных ситуаций создает видимость перемещения дырки по объему кристалла, которая, имея положительный заряд, создает собственную дырочную проводимость полупроводника. Процесс генерации злектронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону количество энергии, достаточное для разрыва ковалентной связи. Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом - рекомбинацией, то есть соединением электрона с дыркой с образованием нейтрального атома. В результате при постоянстве внешних условий в полупроводнике наступает равновесие, при котором число генерируемых пар носителей заряда равно числу рекомбинирующих.

1.2 Примесные полупроводники

В чистом полупроводнике на образование пары требуется затратить значительное количество энергии и его проводимость при комнатной температуре весьма мала.

Значительно увеличить проводимость можно, легируя полупроводник трехвалентными или пятивалентными примесями. В пятивалентной примеси (сурьма Sb, фосфор Р, мышьяк As) один электрон не участвует в ковалентных связях и легко переходит в свободную зону при сообщении ему энергии гораздо меньшей, чем необходимо для разрыва ковалентной связи. В результате атом примеси, отдав электрон, становится устойчивым неподвижным положительным ионом. Такие примеси называют донорными. а легированные ими полупроводники - полупроводниками n-типа. Проводимость примесного полупроводника принято называть примесной проводимостью. Основными носителями заряда в полупроводнике n-типа являются электроны, а неосновными дырки.

Трехвалентный атом примеси, наоборот, для заполнения четвертой ковалентной связи стремится отобрать электрон у ближайшего атома полупроводника. При этом образуется устойчивый отрицательный ион и дырка, Полупроводник с такими примесями называется полупроводником р-типа, сами примеси (алюминий Al, бор В, индий In.) - акцепторными. В полупроводнике р-типа основными носителями заряда являются дырки, а неосновными - электроны.

В примесных полупроводниках при комнатной температуре практически все атомы примеси находятся в возбужденном состоянии, причем количество созданных ими основных носителей намного превышает количество неосновных, возникающих путем обычной термогенерации электронно-дырочных пар. В результате этого примесная проводимость гораздо выше собственной проводимости полупроводника, в значительно меньшей степени зависит от внешних факторов и определяется главным образом концентрацией легирующей примеси.

1.3 Полупроводниковый диод

Основой всех полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (p-n переход). Он образуется на границе двух полупроводников с различными типами проводимости {глава 1.2}. Поскольку концентрация носителей заряда в области р-n перехода резко неоднородна, по законам диффузии основные носители (дырки в "р" области и электроны в "n" области), будут диффундировать в прилегающие области, создавая диффузионный ток.

Неосновные носители заряда (дырки в n-области и электроны в р-области) начнут дрейфовать в возникшем электрическом поле, создавая дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. В результате наступает динамическое равновесие, суммарный ток перехода будет равен нулю и на переходе установится контактная разность потенциалов, составляющая 0,3-0,4 В для германиевых переходов и 0,7-1,0 В для кремниевых. Если к переходу подключить источник эдс положительным полюсом к р области, а отрицательным - к n области, то результирующая разность потенциалов на переходе уменьшится. Переход откроется и начнет проводить ток за счет возрастания диффузии основных носителей заряда из n-области в р-область. При этом дрейфовый ток через переход уменьшится. Такое включение перехода принято называть включением в прямом направлении (прямо смещенный переход).

Рис 1-3 Прямое включение p-n перехода

Приложение напряжения в обратном направлении (плюсом к n, а минусом - к р-области) приведет к увеличению разности потенциалов на переходе, а значит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового. Поскольку дрейфовый ток создается неосновными носителями заряда, которых в полупроводнике значительно меньше, чем основных, суммарный ток через переход будет очень мал. Такое состояние перехода принято называть закрытым.

Рис.1-4 Обратное включение p-n перехода.

При отсутствии внешнего электрического поля, диффузионный ток равен току проводимости.

Iперехода=Iдиф-Iпров=0.

1. Если приложенное внешнее поле усиливает поле перехода (+к n слою), то Iдиф уменьшится, Iпров увеличивается.

Iперехода= -I0 (обратный ток).

2. Если ослабить поле перехода (+ к р слою), то Iдиф увеличивается, Iпров уменьшится. Iперехода>> I0, Iперехода=Iпр.

Поэтому p-n переход называется полупроводниковым диодом.

Его обозначение в схемах + p - n

Iпр.

Полупроводниковые приборы, состоящие из одного р-n перехода и предназначены для выпрямления переменного тока, называют выпрямительными диодами. В таких диодах используется основное свойство перехода - способность хорошо проводить ток только в одном направлении.

Характеристики полупроводникового диода

Рис 1-5 Прямая и обратная ветви характеристики диода

Основные параметры выпрямительного диода: максимальное значение выпрямленного тока Iвыпр, прямое падение напряжения на переходе при максимальном выпрямленном токе Uпр, максимально допустимое обратное напряжение Uo6p, величина обратного тока Iо при Uo6p. Обычно Iвыпр = 10 мА - 10 А; Unp = 0,2 - 1,5 В; Uo6p = 10 В – 1кВ Iо = 1 мкА - 100 мкА.

Если в выпрямительном диоде обратное напряжение превысит напряжение пробоя Uпроб (обычно Uo6p = 0,8Uпроб), ток резко возрастет и диод выйдет из строя, что объясняется увеличением числа носителей в области перехода под действием ударной ионизации в сильном электрическом поле и последующей усиленной термогенерацией разогревшегося перехода.

Маркировка (обозначение) диодов

В обозначении диода используют буквы и цифры:

Г (или 1) – германиевый диод; К (или 2) – кремниевый диод.

Дальше идут цифры:101-399 –выпрямительные диоды; 401-499 – универсальные диоды.

Рис 1-6 Внешний вид полупроводниковых диодов