§ 67. Основные полупроводниковые изделия.

Изделия из полупроводниковых материалов называют полупроводниковыми элементами или приборами. По характеру выполняемой ими работы в электротехнических устройствах они весьма многообразны. К ним в первую очередь относятся полупроводниковые выпрямители (диоды) и усилители (триоды).

Основной частью полупроводниковых выпрямителей являются так называемые – p-n-переходы, т.е. контактные соединения двух полупроводников, из которых один обладает электропроводностью n –типа, а другой – электропроводностью p –типа. На (рис. 157) показана схема p-n-перехода, т.е. соединение полупроводника n –типа (слева) с полупроводником p –типа (справа).

Рис. 157. Схема образования p-n-перехода в полупроводнике:(а)соединениеполупроводников p-n-типов;

(б)образование двойного электрического слоя на грнице p и n-полупроводников.

При отсутствии напряжения на электронах 1,2 в полупроводнике n –типа имеется более высокая концентрация свободных электронов, чем в полупроводнике p –типа. В последнем же преобладает концентрация дырок. При плотном контакте этих полупроводников (осуществляемом, например, вплавлением одного полупроводника в другой) электроны

n- полупроводника будут диффундировать в р- полупроводник, где их недостаточно, а дырки р- полупроводника будут диффундировать в n-полупроводник, где их мало. Это движение электронов и дырок навстречу друг другу уменьшит концентрацию электро­нов в пограничном слое со стороны n- полупро­водника и зарядит его положительно, а в по­граничном слое со сто­роны р- полупроводника уменьшит концен­трацию дырок и заря­дит его отрицательно. Следовательно, еще до подачи к электродам 1, 2 напряжения на границе между полупро­водниками создается двойной электрический слой (рис.157). В результате образова­ния двойного электри­ческого слоя на грани­це раздела двух полу­проводников (p-n пе­реход) возникает мест­ное электрическое поле с напряженностью Е₀.

Теперь рассмотрим, как будет работать такой полупроводни­ковый выпрямитель при приложении к его электродам перемен­ного напряжения. В случае, когда напряженность Е внешнего источника будет совпадать с напряженностью Е₀ местного поля, электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р- типа будут перемещаться от границы р- перехода к электро­дам 1 и 2 (рис.158,а ). В результате этого р- переход будет еще более освобождаться от электронов и дырок, а следователь­но, область дырок в n- полупроводнике и область электронов в р- полупроводнике будут расширяться. В результате этого элек­трическое сопротивление р- перехода сильно возрастет, т. е создастся запирающий слой и ток данной полуволны пропускать­ся не будет. Фактически будет протекать очень незначительный ток, обусловленный перемещением случайных носителей. Такой ток называется обратным током Iобр.

Рис.158. Схема работы p-n-перехода полупроводникового плосткостного диода, включенного на внешний источник тока: а) в обратном направлении; б)в прямом направлении.

В случае, когда напряженность Е внешнего источника будет направлена против местного поля напряженностью Е₀ (рис. 158,б), то местное поле будет ослаблено и электроны в полупроводнике n –типа начнут притекать а область p-n-перехода.

Одновременно в полупроводнике p –типа дырки будут перемещаться тоже в область p-n-перехода. В результате этого запирающий слой суживается, а его электрическое сопротивление резко уменьшается. При этом p-n-переход начнет пропускать ток только той полуволны переменного напряжения, которая направлена против местного напрядения запирающего слоя. Этот ток называется прямым током I_пр, а само направление тока в выпрямителе называется прямым, или пропускным направлением. Прямой ток I_пр значительно больше обратного тока I_обр, протекающего через p-n-переход. Работа полупроводникового выпрямителя иллюстрируется его вольтамперной характеристикой, показанной на (рис. 159). Она показывает, что при малых величинах напряжения (до 0,5 В), прямой ток I_пр, пропускаемый выпрямителем, достигает сравнительно больших величин (100 мА) При другой же полуволне переменного напряжения (U_обр) , полупроводниковый выпрямитель практически тока не пропускает, до величины обратного напряжения примерно 30 В. Только начиная с 30 В обрат­ного напряжения, p-n-переход начинает пропускать очень малые величины тока обратного направления I_обр. Если же увеличивать обрат­ное напряжение (U_обр), то обратный ток с некоторого момента начнет возрастать и может достигнуть такой величины, при которой про­изойдет пробой p-n-перехода (точка а на рис. 159).

В полупроводниковых ди­одах p-n-переход осущест­вляется в виде контакта между пластинками двух полупроводников с разными типами электропроводности или в виде контакта между пластиной полупроводника и металлическим острием. В первом случае диоды называются плоскостными, а во втором — точечными.

Рис. 160. Схема плоскостного германиевого диода:

1- контактные выводы, 2- стеклянный изолятор, 3- корпус, 4- верхний токосниматель, 5- индий, 6- германиевая пластинка, 7- нижний токосниматель.

На (рис.160) показан схематический разрез плоскостного германиевого диода. Основой его является пластинка германия с электропроводностью n–типа. На одну из ее поверхностей наносится капелька расплавленного индия. Пластинку помещают в вакуум-камеру, в которой поддерживается температура 500-550°С. При этом атомы индия диффундируют в твердый германий и образуют в нем слой небольшой толщины (около 10^-5см), который обладает электропроводностью р-типа. В результате этого получается контактное соединение двух полупроводников, из которых один обладает электропроводностью n-типа, а другой – электропроводностью р- типа, т.е. образуется p-n-переход.

Индий, растекаесь по поверхности германия, создает p-n-переход на сравнительно большой площади. В результате этого у плосткостных диодов емкость значительно больше, чем у точечных. Это ограничивает их область применения в радиотехнике. Однако выпрямленный ток в этих диодах может быть повышен до 300 ма, а обратное напряжение до 400 В. Отечественной про­мышленностью выпускаются плоскостные диоды типов: Д7А, Д7Б, Д7В, Д7Г, Д7Д, Д7Ж и др. У этих диодов наблюдается заметная зависимость их характеристик от температуры: увели­чение прямого тока I_пр при 50°С снижает обратное напряжение. Однако, применяя охлаждение, можно добиться увеличения I_пр без снижения обратного напряжения (U_o6p).

Известно, что кремний как полупроводниковый материал, мо­жет быть использован при больших рабочих температурах, чем германий, т. е. при температурах 130—180°С. Поэтому представ­ляют значительный технический интерес кремниевые диоды. В ка­честве примера можно остановиться на кремниево-алюминиевом плоскостном диоде. Контактный p-n-переход в нем создается сплавлением алюминия и кремния. Такой диод допускает плот­ность тока до 200 А/см². Охлаждение диода достигается с помощью медного радиатора, которым снабжаются эти диоды.

Рис. 161. Германиевый точечный диод ДГ-Ц:

а- внешний вид, б- разрез, в- вольтамперная характеристика: 1- керамическая втулка, 2 и 3- металлические фланцы, 4- игла из вольфрамовой проволоки, 5- кристаллодержатель, 6- кристалл германия, 7- выводы.

На (рис. 161) показан общий вид, разрез и вольтамперная ха­рактеристика германиевого точечного диода. В нем вольфрамо­вая тонкая проволочка 4 в виде пружины закрепляется в левом фланце, конец ее заостряется в виде иглы механическим или электролитическим путем. Небольшую шлифованную пластинку 6 германия n-типа с площадью поверхности 2 мм² припаивают к металлическому кристаллолержателю 5. Контакт между иглой и пластинкой кристалла осуществляется сваркой прямым током в течение нескольких секунд. При этом площадь контакта полу­чается около 50 мк².

Отечественной промышленностью изготовляется несколько марок германиевых точечных диодов с предельно допустимым обратным напряжением от 30 до 100 В и с выпрямительным током I_пр=10/80 мА. Емкость этих диодов невелика (меньше 1 пФ), что позволяет использовать их в установках высокой частоты: до 100 МГц и выше. Мощность таких диодов 1-3 Вт. Эти диоды весьма заметно изменяют свои параметры в зависимости от температуры. Так, при понижении температуры до -50°С прямой ток уменьшается, а при повышении температуры до 70°С обратный ток сильно увеличивается.

Рис. 162. Схема селенового выпрямительного элемента: 1- катодный сплав, 2- запирающий слой, 3- слой селена, 4- алюминиевая или стальная пластинка.

Селеновые выпрямители состоят из соединенных друг с дру­гом выпрямительных селеновых элементов (рис. 162). Основой выпрямительного элемента является железная никелированная или дюралюминиевая пластинка 4 толщиной 0,6—1,0 мм. На нагретые пластинки (шайбы) наносят аморфный селен, после чего шайбы подвергают прессованию с целью получения слоя селена одинаковой толщины. Чтобы перевести аморфный селен в крис­таллический, пластинки проходят затем термическую обработ­ку при температуре около 220°С. Образовавшийся слой 3 кристаллического селена представляет собой полупроводник с электропроводностью р- типа.

На слой кристаллического селена толщиной 35—60 мк нано­сят тонкий слои сплава, состоящего из висмута, кадмия и олова. Этот сплав плавится при температуре 105°С. В результате этого на поверхности поликристаллического селена образуется слой 1 из селенистого кадмия, который является полупроводником n- типа. Запирающий слой 2 в селеновом элементе располагается между слоем кристаллического селена и слоем селенистого кадмия (селенид кадмия).

Р ис.163. Схема и детали селенового столбика: 1- монтажный болт, 2- металлическая гайка, 3- металлическая шайба, 4- изоляционная шайба, 5- контактный вывод, 6- металлическая пластинка, 7- слой селена, 8- катодное покрытие (селенистый кадмий), 9- пружинящая шайба, 10- электроизоляционная трубка.

Прямой ток в селеновом элементе протекает в направлении от металлической пластинки (шайбы) к катодному слою 1 селенистого кадмия. Рабочее напряжение (в обратном направлении) селеновых выпрямительных элементов находится в пределах от 18 до 45 В.

В селеновых выпрямителях отдельные элементы собирают в столбики (рис. 163) и стягивают друг с другом болтом 1. Болт изолирован от металлических пластин 3 электроизоляционными прокладками 4, а также с помощью электроизоляционной труб­ки 10. Выпрямительные элементы в столбиках располагаются друг от друга на некотором расстоянии с помощью дистанцион­ных и пружинящих шайб 9. Это обеспечивает наиболее интенсив­ное их охлаждение. В столбиках выпрямительные элементы мо­гут быть соединены последовательно, параллельно или смешанно в зависимости от назначения выпрямителя.

Отечественной промышленностью выпускается свыше 600 типоразмеров выпрямительных столбиков. Селеновые выпрямители могут работать в интервале температур от —60 до +75°С; срок службы их достигает 10 000 час. Пробой селенового выпрями­тельного элемента не выводит его из строя, так как место пробоя заполняется аморфным селеном. При этом пропускная способность выпрямительного элемента несколько понижается.

Рис.164

Полупроводниковые триоды (усилители) могут быть плоскостные и точечные. Плоскостные триоды представляют собой систему, состоящую из трех полупроводников, находящихся в плотном контактном соединении. Крайние два полупроводника имеют одинаковый тип электропроводности, например, n-типа, а третий полупроводник, расположенный между ними, обладает электропроводностью другого типа, например, р- типа(рис.164,а).Во всех триодах имеются два электронно-дырочных перехода, которые разделяют каждые два полупроводника с различными типами электропроводности. Представленный на (рис.164,а) полупроводниковый триод называется усилителем типа n—р—n. При другом чередовании полупроводников (рис.164,б) триод называется усилителем типа р—n—р.В плоскостном триоде создают три области электропроводности введением в крайние части полупроводника р-типа донорной примеси (в триоде типа n—р—n) или введением в крайние части полупроводника n—типа акцепторной примеси (в триоде типа р—n—р). Каждая из трех областей в полупроводниковом триоде снабжается соотсвующим металлическим электродом и выводом от него. На (рис. 165) показана схема включения плоскостного триода типа р—п—р.

Рис. 165. Схема работы плоскостного триода типа р—п—р: R_n- сопротивление нагрузки,  -источник переменного тока.

Рассмотрим основные электрофизические процессы в этом по­лупроводниковом триоде при выполнении им своих функций. Как видно на (рис. 165) триод представляет собой систему, состоящую из двух переходов: р—п и п—р, причем области п объединены в одну область. Ясно, что при подключении р- областей триода к разным полюсам источника внешнего напряжения создаются условия для движения дырок от одной р- области (слева) к дру­гой р- области расположенной справа. Однако такое включение не даст еще должного эффекта усиления. Поэтому необходимо среднюю часть триода, т. е. п- область, включить к разным по­люсам двух источников постоянного напряжения (вместе с каж­дой из р- областей). Левая р- область подключена вместе с п- об­ластью так, что плюс источника Б₁ подведен к этой р- области, а минус к п- области. При этих условиях осуществляется в р- области (слева) прямое направление тока. Действительно, дыр­ки из левой р- области под действием подведенного постоянного напряжения будут перемещаться но направлению к п- области. Таким образом, р- область высылает дырки и вводит их в п- об­ласть триода. Эта р- область получила название эммитерной, а ее электрод Э — эмиттера. На созданное таким образом прямое направление тока к р-п- переходу подается небольшое напряжение для получения электрического поля достаточного для обеспечения введе­ния дырок в п- область. Последняя, обеспечивая ток в прямом на­правлении, должна пропустить через себя дырки.

В триоде n-область является основной областью, связанной электрически с обеими р- областями, поэтому она называется базовой областью или базой Б. Эта область имеет свободные электроны, которые при переходе через нее дырок будут частично с ними рекомбинировать и тем самым уменьшать дырочный ток. Для снижения интенсивности рекомбинации базу выполняют в виде тонкого слоя (0,01—0,05 мм). Все же ток, обусловленный перемещением дырок, проходя через базу, несколько уменьшается по величине. Правая р- область триода вместе с базой подключены к другому источнику Б₂ постоянного тока так, что база присоединена к положительному полюсу источника. Это обеспечивает включения п-р- перехода в обратном направлении, которое соответствует высокому сопротивлению п-р- перехода. Пройдя базу, дырки попадают в правую р- область, которая их как бы собирает. Эта область называется коллекторной, а ее электрод К- коллектором.

Как видно из (рис. 165), на коллектор и базу подается более высокое напряжение (от батареи Б₂), чем на эмиттер и базу (от батареи Б₁). Это делается для того, чтобы снизить действие запорного слоя, образующегося на границе между базой и коллекторной областью, т. е. в п—р- переходе.

На (рис. 165) показано, что часть путей дырочного тока прекращается в базе в результате рекомбинации дырок с электронами базы. Поэтому дырочный ток уменьшается. Помимо дырочного тока, в триоде текут не­большие электронные токи. Они создаются электронами коллектора, направляющими­ся к базе, а также электронами базы, направляющимися в эмиттерную область. В коллекторную же р- область электроны из базы проникнуть не могут, так как этому противодействует электрическое поле кол­лектора Е_к. Дырки же, поступающие из эмиттера, проходят коллекторную р- область легко, поскольку поле коллектора способ­ствует этому движению.

Таким образом, ток в цепи база — кол­лектор в основном определяется движением тех дырок, которые будут поставляться эмиттером.

При малых напряжениях на коллекторе ток в нем будет прямо пропорционален этому напряжению. С увеличением же на­пряжения на коллекторе дырки, приходящие из эмиттера в кол­лекторную область, будут продвигаться к коллектору быстрее, чем поступать из эмиттера. Поэтому приток дырок в коллектор уже не будет обеспечивать увеличение тока, пропорционально повышению напряжения на коллекторе. Это способствует возра­станию сопротивления в цепи коллектора, которое повысится до нескольких мегом. На рисунке дана вольтамперная кривая коллектора, ясно показывающая замедленный рост тока в коллек­торной области триода (после точки А на графике). При этом электрическое сопротивление коллекторной области r_к значи­тельно превзойдет сопротивление эмиттерной области г_э. В ре­зультате этого при небольшом увеличении напряжения на эмит­терной области r_э оно вызовет небольшое увеличение тока в коллекторной области триода. Вследствие же очень большого сопротивления коллекторной области это вызовет значительное увеличение напряжения ΔUк на коллекторе, которое будет во много раз больше ΔUэ. Таким образом, в в плоскостном триоде можно получить усиление сигнала по напряжению, поданному на эмиттер от генератора.

Рис.166.

Соотношение токов коллектора i_к и эмиттера i_э в таких триодах меньше единицы (около 0,95). Зная внутренние сопротивления эмиттера и коллектора (r_э и r_к), можно подсчитать усиление по напряжению. В плоскостных триодах r_э= 500 Ом; r_к= 10⁶ Ом. Тогда коофициент усиления по напряжению равен:

β = U_к / U_э = i_к r_к / i_э r_э = 0,95 r_к / r_э = 0,95 10⁶/500=1900.

Наряду с плоскостными триодами нашли применение также точечные триоды (рис. 167). Основой их является германиевая или кремниевая пластинка, обладающая электропроводностью п- типа. На эту полупроводниковую пластинку опираются два острия из бронзовой и медной проволок. Одна из проволочек является коллектором К, а другая – эмиттером Э. В местах, где острия соприкасаются с полупроводниковой пластинкой, в последней образуются две области с электропроводностью р- типа. В этой конструкции усилителя контакт каждого металлического электрода с пластинкой полупроводника осуществляется в одной точке, поэтому такие триоды называют точечными.

Рис. 168. Конструкции полупроводниковых триодов:

а- точечный триод, б- плоскостной триод.

Они находят применение на высоких частотах. На (рис. 168) показаны разрезы точечного и плосткосного триодов.

Преимущества полупроводниковых выпрямителей и усилителей перед электронными лампами заключаются в том, что они не имеют цепей накала и собственное потребление энергии очень мало; они вступают в работу сразу после включения. Кроме того, полупроводниковые приборы надежны в работе, портативны и обладают очень малым собственным весом.

Отечественной промышленностью изготовляется большое количество типов германиевых и кремниевых диодов и триодов.