4.Полупроводниковые приборы

Электропроводность полупроводников. Носители заряда в полупроводниках – свободные электроны и дырки.

Полупроводники занимают по электропродности промежуточное положение между металлами (проводниками) и диэлектриками (изоляторами).

Полупроводниковые материалы:

кремний - Si

германий - Ge

селен - Se

аргенид галлия - GaAs

фосфид галлия - GaP

нитрид галлия – GaN

Si

Атом кремния четырхевалентный. На внешней электронной оболочке находится 4 валентных электрона. В кристалле 4 валентных электронных атома образуют ковалентные связи с 4 соседними атомами (свободный электрон занимает «дырку»). Каждая химическая колаентная связь образована парой электронов. Все электроны, связаные со своими атомами, пермещаться по кристаллу не могут. Кристалл диэлектрик так не проводит. Чтобы вырвать электрон из химической связи, нужно передать ему порцию энергии W>=1,2 эВ.

Переход электрона в зону проводимости приводит к появлению в валентной зоне дырки. Дырка в хим.связи имеет положительный заряд, численно равный заряду электрона. Вакансию может занять электрон из другой хим.связи. Дырки перемещаются к свободному атому. Свободные лектроны и дырки совершают хаотическое тепловое движение по кристаллу. Вакансию может занять свободный электрон – рекомбинировать с дыркой. Процессы генерации и рекомбинации электрон-дырочных пар уравновешивают друг друга.

Примесные полупроводники. Донорные примеси, полупроводник n-типа. Акцепторные примеси, полупроводник p-типа.

Для создания электропроводимости в кристалл пп вводят примеси в очень малой концентрации. Атомы примеси замещают атомы Si в узлах кристалической решетки

Донорные примеси – элементы V группы (фосфор P, мышьяк As, сурьма Sb)

Атом донора имеет 5 валентных электронов, 4 участвуют в хим.связи с атомами кремния, 5-й слабо связан с атомами , легко отрывается и сталкивается свободным носителем заряда. В узле решетки остается положительный ион (атом без одного валентного электрона). При комнатной температуре атомы кремния ионизированы. Электроны – основные носители заряда, Дырки – неосновные.

Акцепторные примеси – элементы III группы (бор B, аллюминий Al, индий In) имеют 3 валентных электрона. При образовании ковалентных связей одна связь оказывается незаполненной. Это место в связи может занять электрон из хим.связи другого амтома. Образуется отрицательный ион акцептора и свободная дырка. Дырки-основные носители

p-n-переход, область обедненная носителями заряда. Объемные заряды ионов примесей, потенциальный барьер p-n-перехода. Прямое смещение и прямой ток перехода. Обратное смещение и обратный ток перехода. Вольт-амперная характеристика перехода.

Пусть одна половина кристалла легирована донорными примесями (n-полупроводники), другая – акцепторными (p-полупров.).

Электроны диффундируют из n-области в р-область, где их концентрация низкая. Дырки диффундируют из р-области в n-область. p и n рекомбинируют. Вблизи границы разделаих концентрация уменьшается. Остаются ионы примесей (+) в n-области и (-) в р-области. Слева и справа от границы раздела образуются объемные заряды, создаваемые ионами примесей. Электронное поле объемных зарядов выталкивает из приграничной области электроны и дырки. Приграничная область обедненная носителями заряда наз. p-n-переход.

Поле объемных зарядов препятствует прохождению основных носителей заряда через p-n-переход. В переходе возникает потенциальный барьер, преодолев который n и p, совершая тепловое движение по кристаллу , не могут.

Высота потенциального барьера = разность потенциалов областей объемных зарядов.

ϕpn=ϕ₊-ϕ_- <=W

Напряженность эл.поля в переходе: Epn= ϕpn/d; d-щирина p-n-перехода

Подключим к кристаллу источник напряжения. подадим на кристал с p-n-переходами внешнее напряжение в прямом направлении – (+)источника подключим к р-области, (-) источника к n-области. Внешнее напряжение уменьшает потенциальный барьер.

ϕ= ϕpn-u

Основные носители заряда дифундируют через переход. электроны – в р-обл, дырки – в n. Электроны в р-области рекомбинируют с дырками, дырки в n-области рекомб с электр.

С (-)источника напряжения в n-область приходят новые электроны. Из р-области электроны уходят – к (+)источника напряжения, и в р-области образуются новые дырки. через кристалл протекает прямой ток.

Подключим к кристаллу источник напряжения. подадим на кристал с p-n-переходами внешнее напряжение в обратном направлении – (+)источника подключим к n-области, (-) источника к р-области. Внешнее напряжение увеличивает потенциальный барьер.

ϕ= ϕpn+u

Основные носители заряда не могут пройти через переход. Существует лишь слабый ток, создаваемый движением через переход неосновных носителей.- обратный ток.

Полупроводниковый диод. Включение диода в цепь переменного тока, выпрямитель переменного тока. Использование конденсатора для сглаживания пульсаций выпрямленного напряжения.

диод – полупр. прибор, обладающий односторонней проводимостью. Имеет два вида контакта

Ток через Rn протекает только в одном направлении при положительной полуволне напряжения. Полученное устройство наз. выпрямитель.

Подключим параллельно нагрузке конденсатор большой емкости. При положительной полуволне напряжения ток через диод заряжает конденсатор до амплитудного значения напряжения. Во время отрицательной полуволны конденсатор частично разряжается, поддерживая протекание тока через Rn. Пульсации напряжения на Rn уменьшаются.

Получили устройство – выпрямитель со сглаживающим фильтром (в ист.питания) и амплитудный детектор (в радиоприемнике)

(Ui)/(Rt)

Полевой (униполярный) транзистор с p-n-переходом. Структура полевого транзистора. Затвор, канал, исток, сток. Управление силой тока, протекающего через канал. Сток-затворная характеристика транзистора. Напряжение отсечки.

Биполярный транзистор. Структура биполярного транзистора. Эмиттер, база и коллектор. Эмиттерный и коллекторный p-n-переходы. Полярность подключения источников напряжения. Движение носителей заряда в транзисторе, токи эмиттера, коллектора и базы. Коэффициенты передачи тока эмиттера α и тока базы β.

Полевой транзистор с п-н переходом – на поверхности тонкой пластинки из n-полупроводника (легированного донорной примесью) создан слой из p-полупроводника (внедрением в поверхностый слой акцепторной примеси в большой концентрации) **то что в скобках можно не писать

p-n перход (слой, объединенный носителями заряда – электронами) занимает часть толщины пластинки, остальная часть называется каналом. В канале есть свободные электроны и по нему может протекать ток. P – слой на поверхности пластинки называется затвором, изменяя напряжение на затворе, можно управлять силой тока, протекающего через канал

Сток-затворная характеристика

S = _Ic / α _Uзн

НАПРЯЖЕНИЕ ОТСЕЧКИ (у полевого транзистора) - параметр полевого транзистора с управляющим p-n переходом, определяющий значение напряжение между затвором и стоком, при котором происходит насыщение тока стока, т.е. ток стока перестает зависеть от напряжения на стоке относительно истока.

Биполярный транзистор – полупроводниковый прибор с двумя p-n переходами

Первая стрелка: диффузия электронов в базу

Вторая: преобразование электронов из базы в коллектор

Во второй секции происходит частичная рекомбинация с дырками в базе

Область в кристалле между двумя p-n переходами называется базой. Области по обе стороны базы называются эмиттер и коллектор. База – очень тонкий слой с низкой концентрацией заряда (дырок)

К эмиттерному p-n переходу приложено напряжение, смещающее переход в прямом направлении, к коллекторному – в обратном. Напряженность поля в эмиттерном переходе уменшается, потенциальный барьер понижается.

Коэффициент передачи тока эмиттера a = Ik / Iэ = 0.95 ÷ 0.995

Кожффициент передачи тока базы b = Ik / Iб = a / 1-a = 20 ÷ 200