2.4. Напівпровідникові дискретні компоненти

Напівпровідникові дискретні компоненти є великою групою мікроелектронних виробів, які, не зважаючи на бурхливий розвиток мікроелектроніки, до цього часу відіграють роль не тільки класичних базових структур, на основі яких будуються інші складніші мікроелектронні вироби, а й самостійних дискретних електронних компонентів. Це, у першу чергу, діоди, транзистори і тиристори.

2.4.1. Загальні відомості про напівпровідники

На початках історії напівпровідників важливим матеріалом був германій. Цей елемент був легшим під час оброблення, ніж кремній з огляду на нижчу на 420 °С температуру топлення порівняно з кремнієм, що топиться при температурі 1410 °С. Перші германієві транзистори виготовлені в 1947 р. Протягом наступних 7 років сконструйовано близько сотні різних типів транзисторів, в основному у США. В 1954 р. в Гордон Тіль (Texas Instruments, США), продемонстрував перші прототипи кремнієвих транзисторів, а вже в наступному році їх моделі були комерційно доступними. Діоди, транзистори і масштабувальні пристрої побудовані з напівпровідників.

Кремнієві транзистори порівняно з германієвими мають кращі властивості, наприклад, вищу напругу пробиття і більшу навантажувальну здатність. У випадку кремнію можливим також було вирішення багатьох температурних проблем, що мали місце в той час. При нагріванні германію суттєво зростає кількість вільних електронів, які збільшують струм через транзистор, що спричиняє подальше збільшення температури. В результаті, якщо не обмежити в якийсь спосіб значення струму, то матимемо справу з додатнім зворотним зв’язком, що спричиняє перегоряння транзистора.

Напівпровідники це найбільша група активних електронних елементів, від простого діода і до цілих пристроїв. Основою їх принципу дії всіх є контакт двох матеріалів p-n. Якщо чистий напівпровідниковий матеріал після уведення відповідної домішки характеризується надміром електронів, то він називається напівпровідником n-типу, якщо ж їх нестачею, то – напівпровідником р-типу. Типовими домішковими матеріалами є фосфор і бор. Нестачу електронів зазвичай називають «діркою», щоправда це не є точним з пункту бачення фізики.

В місці, де матеріал р-типу з’єднується з матеріалом n-типу, створюється поверхня, що називається р-n переходом, який проводить струм тільки в одному напрямку. Ця властивість використовується у діоді, найпростішому напівпровідниковому елементі, для, так званого, випрямлення струму.

2.4.2. Діоди

Найважливішою функцією діода є вентильна дія як однонаправленого клапана для проходження електронів. Коли до ідеального діода прикладена напруга в прямому напрямку (пропускання), струм через нього може проходити, натомість, якщо ж змінити полярність його підключення на зворотну, то струм не протікатиме через діод – блокується (рис. 2.22.а). Це проста, але дуже корисна властивість. В реальному діоді, включеному в прямо-

Р ис. 2.22 – Ідеалізована (а) та реальна (б) вольт-амперна характеристика діода

му напрямку, струм протікатиме тільки після перевищення прикладеною напругою певного значення U₀, яке для германієвих діодів становить (0,1…0,3) В, а для кремнієвих – (0,5…0,7) В. Під час прикладення зворотної напруги через діод протікатиме дуже малий струм, значення якого практично визначатиметься опором ізоляції p-n переходу. При досягненні зворотною напругою певного максимального значення p-n перехід пробивається, через нього протікатиме великий струм і він виходить з ладу. Перші зразки діодів виготовлялись з напівпровідникових матеріалів селену і германію, але зараз на ринку майже виключно є кремнієві діоди. Германієві діоди, однак, не вийшли із вжитку завдяки малому значенню спадку напруги на p-n переході в провідному стані, приблизно 0,3 В, порівняно з 0,7 В для кремнієвих діодів. Якщо йдеться про інші характеристики, то кремнієві діоди є надійним елементом для майже всіх застосувань, від випрямних функцій в електричних колах в частотній смузі від постійного струму до радіочастот, аж до пристроїв відтворення зразкових напруг чи сонячних фотобатарей. Діод може застосовуватись як вимикач в колах акустичних сигналів.

Кремнієві діоди сьогодні зустрічаються найчастіше (їх позначення на схемах електричних принципіальних подано на рис. 2.23). Діоди, призначені для служби при малих струмах мають порогову напругу (спадок напруги в прямому напрямку) приблизно 0,7 В, в той час як силові діоди – порядку 1 В або й більше. Коли зворотна напруга перевищить граничне значення, діод пробивається (рис. 2.22).