23

Лекция … Полупроводниковый диод

1. Физические свойства полупроводников

2. Собственная проводимость

3. Примесная проводимость

4. Свойства p-n перехода

5. Полупроводниковый диод

6. Основные параметры диода

7. Стабилитрон

8. Варикапы

9. Импульсные диоды

10. Туннельные диоды

11. Диоды Шоттки

Рекомендуемая литература:

1. И.П.Жеребцов. Основы электроники.

с. 19 -52

2. В.А.Прянишников. Электроника.

с.20-42

3. В.В.Фролов. Язык радиосхем, с. 66 -76

4. Е.А.Москатов. Электронная техника

5. Е.А.Москатов. Справочник по ПП

приборам

6. И. Хабловски. Электроника в вопро-

сах и ответах, с. 47-64

1 Физические свойства полупроводников

Каждый из электронов атома обладает определенной энергией или, как принято говорить, находится на определенном энергетическом уровне. Электроны, вра­щающиеся на более удаленных от ядра орбитах, находятся на более высоких энергетических уровнях. Для перевода электронов с орбит, расположенных ближе к ядру, на более удаленные орбиты требуется затратить некоторую энергию.

Энергия электрона может изменяться только дискрет­но, определенными порциями (постулат Бора), т.е. электроны в каж­дом атоме находятся на вполне определенных орбитах.

Энергетические уровни, на которых находятся электроны, называются разре­шенными; энергетические уровни, где электроны не могут находиться, — за­прещенными.

Структура атома может быть представлена диаграммой, характеризующей раз­мещение электронов на соответствующих энергетических уровнях, — энергетическим спектром.

Любая замкнутая си­стема стремится занять положение, соответствующее минимальной внутренней энергии. В реальном атоме все разрешенные уровни, близ­кие к ядру, заполнены электронами, но на более удаленных орбитах имеются незаполненные разрешенные уровни.

Э лектроны, наименее связанные с ядром, могут вступать во взаимодействие с ядрами других атомов. Такие электроны называются валентными. Химическая валентность элемен­та определяется числом валентных электронов.

Атомы одного и того же элемента имеют одинаковый спектр. Однако, в твердом теле, где атомы расположены очень близко друг к другу, из-за взаимного влияния их спект­ральные линии расщепляются, образуя энергетические зоны. Зоны тем шире, чем дальше находятся электроны от ядра. Как видно из рисунка, ши­рина зон зависит и от расстояния между ато­мами d.

Между зонами, содержащими энергетические уровни, на которых могут находиться электроны (разре­шенные зоны), расположены зоны запре­щенных уровней (запрещенные зоны- ЗЗ).

Зона, в которой находятся уровни валентных электронов, называется валентной (ВЗ). Выше этой зоны в твердых телах имеется зона еще более высо­ких энергетических уровней, называемая зоной проводимости (ЗП). В данной зоне энергия электронов настолько велика, что они практически уже не являютсяч связанными и могут свободно перемещаться между атомами. Электро-проводность твердых тел обусловливается именно электронами, перешедшими из валентной зоны в зону проводимости.

С пособность твердых тел проводить электрический ток принято характеризовать удельной проводимостью γ. В дифференциальной форме записи закона Ома (I = γЕ) удельная проводимость представляет собой коэффициент пропорциональности между напряженностью электрического поля Е и током I: γ = I/Е.

На рис. показано расположение энергетических зон в проводниках (а), полупроводниках (б) и диэлектриках (в).

В проводниках валентная зона 1 частично перекрывает или, в крайнем случае, примыкает вплотную к зоне проводимости 2. Поэтому в проводниках при обычных усло- виях практически все валентные электроны находятся в зоне проводимости.

В полупроводниках и диэлектриках зона проводимости 2 отделена от валентной зоны 1 запрещенной зоной 3, ширина которой тем больше, чем меньше проводимость вещества. У полупроводников ширина ЗЗ не превышает 2…3 эВ, в диэлектриках может быть более 15 эВ (1 эВ ≈ 1,6-10^-19 Дж).

В полупроводнике при температуре абсолютного нуля в ЗП все уровни свободны, т. е. проводимость полупроводника равна нулю. При повышении температуры часть электронов переходит из ВЗ в ЗП, и при комнатной температуре в полупроводнике имеется уже некоторое количество свободных электронов. Чем выше температура, тем больше свободных электронов, тем выше проводимость полупроводника,

К полупроводникам относятся такие элементы как германий, крем­ний, теллур, солен, бор и др., а также соединения типа А_IIIB_V, например, арсенид галлия.

Первые опыты по использованию полупроводников для генерирования и усиления сигналов были проведены инженером ГорьковскоЙ радио­лаборатории О. В. Лосевым в 1922—1927 гг. Широкое при­менение полупроводниковых материалов в электронной технике на­чалось с 40-х годов, после того как были разработаны теоретические основы физики твердого тела.

Наибольшее применение для изготовления полупроводниковых приборов получили германий и кремний. Атомы этих элементов образуют кристаллы, и меющие форму тетраэдра — правиль­ной треугольной пирамиды.

В кристаллической структуре атом, расположенный в вершине любой из пирамид, равноудален от атомов, находящихся в углах ее основания, причем каждый из них в свою очередь представляет собой вершину другой пирамиды. Т.о., ядра всех атомов находятся на одинаковых расстояниях друг от друга, образуя неподвижные узлы кристаллической решетки. Германий и кремний — элементы IV группы таблицы Менде­леева — имеют по четыре валентных электрона, которые создают в кристаллической решетке так называемые ковалентные связи. Сущ­ность ковалентной связи на плоскостной схеме кристаллической ре­шетки поясняют рисунок.

Ввиду близкого расположения ядер каждый из валентных элек­тронов подвергается воздействию одного из четырех соседних ядер и вращается по орбите, охватывающей собственное и соседнее ядра. При переходе электрона в зону проводимости он высвобождается от ковалентной связи. При этом атом оказывается заряженным положи­тельно и в ковалентной связи остается незаполненное место, на кото­рое может перейти электрон из ковалентной связи другого атома. Этот не заполненный электроном энергетический уровень (вакансия) называется дыркой.