1

Напівпроводни́к n-ти́пу — напівпровідник, в якому основні носії заряду — електрони провідності.

Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Напівпровідни́к p-ти́пу — напівпровідник, в якому основними носіями заряду є дірки.

Напівпровідники p-типу отримують методом легування власних напівпровідників акцепторами. Для напівпровідників четвертої групи періодичної таблиці, таких як кремній та германій, акцепторами можуть бути домішки хімічних елементів третьої групи — бор, алюміній.

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна із яких має електропровідність n – типа, а інша р – типа, називають електронно – дірковим, чи р-n переходом

p-n перехід — область контакту напівпровідників p- та n-типу, яка характеризується одностороннім пропусканням електричного струму.

Внаслідок того що концентрація електронів в n- області вище, ніж в р- області, а концентрація дірок в р- області вище, ніж в n- області, на границі цих областей існує градієнт концентрацій носіїв, що викликає дифузійний струм електронів з n- області в р- область і дифузійний струм дірок з р- області в n- область.

Що ж стосується неосновних носіїв заряду, то вони, роблячи хаотичний тепловий рух (дрейфуючи), можуть потрапити в зону р-n переходу. У цьому випадку поле переходу, що прискорює, виштовхне їх за межі переходу.

2

Якщо прикласти зовнішню напругу таким чином, щоб створене нею електричне поле було направленим в протилежному напрямку до напрямку електричного поля між областями просторорового заряду, то динамічна рівновага порушується, і дифузійний струм переважатиме дрейфовий струм, швидко наростаючи з підвищенням напруги. Таке під'єднання напруги до p-n переходу називається прямим зміщенням.

Якщо ж зовнішня напруга прикладена так, що створене нею поле є такого ж напрямку що і поле між областями просторового заряду, то це призводить лише до збільшення областей просторового заряду, й струм через p-n перехід не проходитиме. Таке під'єднання напруги до p-n переходу називається зворотним зміщенням.

3

Властивості р-n переходу істотно залежать від температури навколишнього середовища. При підвищенні температури зростає генерація пар носіїв заряду — електронів і дірок, тобто збільшується концентрація неосновних носіїв і власна провідність напівпровідника. Це наочно показують вольт - амперні характеристики германієвого р-n переходу, зняті при різній температурі (рисунок 4). Як видно з рисунка, при підвищенні температури прямої і зворотної струми ростуть, а р-n перехід втрачає свою основну властивість - однобічну провідність. Залежність від температури зворотної вітки вольт – амперної характеристики визначається температурними змінами струму насичення. Цей струм пропорційний рівноважній концентрації неосновних носіїв заряду, що зі збільшенням температури зростає по експонентному законі. По цьому ж закону з ростом температури збільшується і струм насичення

(4)

де І₀(Т) і І₀(Т₀) — зворотні струми насичення при розглянутій (Т) і кімнатній (Т0) температурах; ΔT = Т - Т₀— перепад температур; α — коефіцієнт, що залежить від властивостей напівпровідника . Для германієвих і кремнієвих р-n переходів зворотний струм зростає приблизно в 2—2,5 рази при підвищенні температури на кожні 10 °С.

Рисунок 5 – Вплив температури на вольт – амперну характеристику p – n переходу

Прямий струм р-n переходу при нагріванні зростає не так сильно, як зворотний струм Це пояснюється тим, що прямий струм виникає в основному за рахунок домішкової провідності. Але концентрація домішок від температури практично не залежить. Температурна залежність прямої вітки вольт - амперної характеристики відповідно до формули (3) визначається змінами струму І0 і показника експоненти. Для германієвих приладів верхня температурна межа 70...90°С. У кремнієвих приладів унаслідок більшої енергії, необхідної для відриву валентного електрона від ядра атома, ця межа більш висока: 120...150°С. Властивості р-n переходу залежать також від частоти прикладеної напруги. Це пояснюється наявністю власної ємності між шарами напівпровідника з різними типами провідності. При зворотній напрузі, прикладеній до р-n переходу, носії зарядів обох знаків знаходяться по обидві сторони переходу, а в області самого переходу їх дуже мало. Таким чином, у режимі зворотної напруги р-n перехід являє собою ємність, величина якої пропорційна площі р-n переходу, концентрації носіїв заряду і діелектричній проникності матеріалу напівпровідника. Цю ємність називають бар'єрною (С_б). При малій зворотній напрузі, прикладеній до р-n переходу, носії зарядів протилежних знаків знаходяться на невеликій відстані друг від друга. При цьому власна ємність р-n переходу велика. При збільшенні зворотної напруги електрони усе далі відходять від дірок по обидві сторони від р-n переходу і ємність р-n переходу зменшується. Отже, р-n перехід можна використовувати як, ємність, керовану величиною зворотної напруги. При прямій напрузі р-n перехід, крім бар'єрної ємності, має так називану дифузійну ємність Сдиф. Ця ємність обумовлена нагромадженням рухливих носіїв заряду в n- і р областях. При прямій напрузі в результаті інжекції основні носії заряду у великій кількості дифундують через знижений потенційний бар'єр і, не встигнувши рекомбінувати, накопичуються в п - і р-областях. Кожному значенню прямої напруги Uпр відповідає визначена величина заряду Q_диф накопиченого в області р-n переходу. Тому

Дифузійна ємність не робить істотного впливу на роботу р-n переходу, тому що вона завжди зашунтована малим прямим опором переходу. Найбільше практичне значення має бар'єрна ємність. В даний час є напівпровідникові прилади, що успішно працюють у дуже широкому діапазоні частот — до сотень мегагерц і вище.

4

Ємність p - n - переходу дорівнює сумі так званих бар'єрної і; дифузійної ємностей. Бар'єрна (або зарядна) місткість характеризується зосередженням по обидва боки кордону розділу p - і n - шарів об'ємних зарядів, створюваних іонами домішок. Фізичним аналогом; бар'єрної ємності наближено може служити місткість плоского конденсатора.

Величина дифузійної ємності залежить від протікає через pn-перехід прямого струму і може складати сотні і тисячі пікофарад, тобто вона істотно більше бар'єрної ємності. Таким чином, при прямих напругах зсуву ємність p - n - переходу визначається в основному дифузійної ємністю, а при зворотних напругах, коли дифузійна ємність дорівнює нулю, - бар'єрної ємністю.

5

Залежно від характеру фізичних процесів, що обумовлюють різке зростання зворотного струму, розрізняють 4 основні типи пробою: тунельний, лавинний, тепловий і поверхневий.

Тунельний пробій. При поданні до р-n-переходу достатньо високого зворотного зсуву заповнені рівні валентної зони р-області напівпровідника можуть розташуватися проти незаповнених рівнів зони провідності n-області (рис. 6.19, а). В цьому випадку можливий прямий тунельний перехід електронів з валентної зони р-області в зону провідності n-області, що просочуються крізь потенціальний бар'єр завтовшки х і висотою, змінною від Е у точці до 0 в точці . Із збільшенням товщина бар'єра зменшується (рис. 6.19, б) і напруженість поля у ньому росте. Якщо р-n-перехід достатньо тонкий, то вже при порівняно невисокому поле досягає такого значення, при якому починається інтенсивне тунелювання, електронів крізь р-n-перехід і його пробій. Для германію це відбувається при В/м, для кремнію при В/м. Такий пробій називається тунельним. Зворотна гілка ВАХ переходу, що відповідає цьому типу пробою, показана на рис. 6.18 кривої 2. Із збільшенням товщини р-n-переходу вірогідність тунельного просочування електронів зменшується і вірогіднішим стає лавинний пробій.

Лавинний пробій. В достатньо широких р-n-переходах при високих зворотних напругах неосновні носії можуть набувати в полі переходу настільки високу кінетичну енергію, що виявляються здатними викликати ударну іонізацію напівпровідника. В цьому випадку відбувається лавинне наростання зворотного струму, що приводить до лавинного пробою переходу. В області пробою зміна зворотного струму із зростанням напруги є дуже крутою (крива 3, рис. 6.18). Цей ефект використовується для стабілізації напруги. Діоди, призначені для роботи в такому режимі, називаються стабілітронами. Вони виготовляються з кремнію, оскільки кремнієві діоди мають вельми круту зворотну гілку і в широкому діапазоні робочих струмів у них не виникає теплового пробою, що приводить до появи на зворотній гілці ВАХ ділянки з негативним опором, як це має місце у германієвих приладах (крива 1, рис. 6.18).

Тепловий пробій. При протіканні зворотного струму в р-n-переході виділяється тепло і його температура підвищується. Збільшення температури визначається якістю тепловідведення, з характерним тепловим опором . Цей опір рівний приросту температури переходу з розрахунку на одиницю потужності , що виділяється в ньому, тому . Збільшення температури викликає збільшення зворотного струму, що в свою чергу приводить до нормального зростання температури і зворотного струму і т.д. При певній потужності , тим більшої, чим менший тепловий опір приладу , струм починає наростати лавинно і наступає тепловий пробій р-n -переходу.

Тунельне проходження електронів через р-n-перехід

Поверхневий пробій. Заряд, що локалізується на поверхні напівпровідника в місці виходу р-n-переходу, може викликати сильну зміну напруженості поля в переході і його ширини. В цьому випадку вірогіднішим може виявитися поверхневий пробій переходу, що детально буде розглянуто в подальших підрозділах цього розділу.

6

При освітленні електронно – діркового переходу і ділянок напівпровідників, що примикають до нього, між ними виникає електрорушійна сила. Цей ефект називають фотогальванічним. Розглянемо р-n структуру, в якої р-n перехід і безпосередньо прилягаюча до нього частина р- і n - областей піддаються дії світла (рисунок 1). Потік падаючих на напівпровідник фотонів створює в ньому деяку кількість рухливих носіїв зарядів— електронів і дірок. Частина з них, дифундуючи до переходу, досягає його границі, не встигнувши рекомбінувати. На границі переходу електронно – діркові пари розділяються електричним полем переходу. Неосновні носії, для яких поле р-n переходу є прискорює, викидаються цим полем за перехід: дірки в р- , а електрони в n- області. Основні носії зарядів затримуються полем переходу у своїй області. В результаті відбувається нагромадження не скомпенсованих зарядів і на р-n переході створюється додаткова різниця потенціалів, яка називається фото-електрорушійною силою (фото - е. р. с.).

Рисунок 1 – Електронно – дірковий перехід під дією світла

Величина фото - е. р. с. залежить від інтенсивності світлового потоку і звичайно складає десяті частки вольта. Якщо ланцюг рn - структури при цьому замкнути, то в ньому під дією фото - е. р. с. створюється електричний струм, сила якого залежить від величини світлового потоку й опору навантаження. Фотогальванічний ефект використовується в вентильних фотоелементах, фото діодах і фото транзисторах, виготовлених на основі селена, германію, кремнію.

7

Ефект Холла – явище виникнення різниці потенціалів у провіднику або напівпровіднику зі струмом, яка є перпендикулярною до напрямку індукції магнітного поля і до напрямку струму.

8

Терморезистор, термістор  — напівпровідниковий резистор, активний електричний опір якого залежить від температури; терморезистори випускаються у вигляді стрижнів, трубок, дисків, шайб і бусинок; розміри варіюються від декількох мкм до декількох см; на їх основі розроблені системи і пристрої дистанційного та централізованого вимірювання і регулювання температури, протипожежної сигналізації та теплового контролю, температурної компенсації різних елементів електричного кола, вимірювання вакууму та швидкості руху рідин і газів та ін.

Залежність опору термістора від температури. 1: для R<0.2: для R>0

Вольт-Амперная характеристика (ВАХ) для позистора.

Термистор и позистор это полупроводниковые резисторы, отличающиеся друг от друга температурным коэффициентом. Термистор – терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, позистор - терморезистор с положительным коэффициентом сопротивления. Позистор имеет форму керамических дисков, в некоторых случаях установленных последовательно в одном корпусе, а так же в одиночном исполнении с защитным эмалевом покрытием. По областям применения позисторы делятся на группы. Позисторы, работающие в условиях воздействия электрической нагрузки и используемые в качестве предохранителей в схемах защиты от перегрузок по току и напряжению. Например, простая схема защиты первичной обмотки трансформатора. Еще одно применение позисторов в качестве переключателей в схемах пусковых устройств. Позисторы широко применяются в качестве автостабилизирующих нагревательных элементов в схемах размагничивания и задержки. Здесь позисторы размагничивают теневую маску кинескопа посредством уменьшения переменного тока, проходящего через размагничивающуюся катушку в течение короткого времени. Благодаря высокой температурной чувствительности и положительному температурному коэффициенту, позисторы могут одновременно выполнять функции нагревательного элемента и термодатчика. Некоторые виды позисторов нашли применение в светотехнике в схемах пусковых устройств люминесцентных ламп. Пример одной из них. Начиная с некоторой температуры, сопротивление позистора резко возрастает, а вместе с ним растет напряжение на лампе, и при достижении напряжения зажигания лампа светится полным накалом.

9

Фоторези́стор — елемент електричного кола, який змінює свій опір при освітленні.

Принцип дії фоторезистора оснований на явищі фотопровідності — зменшенні опору напівпровідника при збудженні носіїв заряду світлом.

Фотопровідність властива напівпровідникам. Електропровідність напівпровідників обмежена браком носіїв заряду. При поглинанні фотона електрон переходить із валентної зони в зону провідності. Як наслідок утворюється пара носів заряду: електрон у зоні провідності й дірка у валентній зоні. Обидва носії заряду при прикладеній до напівпровідника напрузі вносять вклад у електричний струм.

При збудженні фотопровідності у власному напівпровіднику енергія фотона повинна перевищувати ширину забороненої зони. У напівпровіднику з домішками поглинання фотона може супроводжуватися переходом із домішкового рівня, що дозволяє збільшити довжину хвилі світла, яке викликає фотопровідність. Ця обставина важлива для детектування інфрачервоного випромінювання. Умовою високої фотопровідності є також великий коефіцієнт поглинання світла, що реалізується в прямозонних напівпровідниках.

10 Випрямні діоди

У випрямлячах змінної напруги найбільше застосування знаходять германієві і кремнієві напівпровідникові діоди. Основними методами одержання р - n переходів для випрямних діодів є сплавка і дифузія. Малопотужний сплавний кремнієвий діод. Електронно - дірковий перехід утворюється вплавленням алюмінію в кремній. Пластинка кремнію з р - n переходом припаюється до кристало - утримувача, що є одночасно підставою корпуса діода. У дифузійних діодах р - n перехід створюється при високій температурі дифузією домішки в кремнію або германію із середовища, що містить пари домішкового матеріалу. Конструкції дифузійних і сплавних випрямних діодів аналогічні. Робота напівпровідникового випрямного діода заснована на властивості р-n переходу пропускати струм тільки в одному напрямку. Основною характеристикою напівпровідникових діодів є вольт - амперна характеристика. Для порівняння на рисунку 7 приведені типові вольт - амперні характеристики германієвого і кремнієвого діодів.

Рисунок 7 - Порівнювальні вольт - амперні характеристики германієвого (1) і кремнієвого (2) діодів.

Кремнієві діоди мають у багато разів менші зворотні струми при однаковій напрузі, чим германієві. Припустима зворотна напруга кремнієвих діодів може досягати 1000...1500 В в той час як в германієвих вона лежить у межах 100...400 В. Кремнієві діоди можуть працювати при температурах -60...+150°С, а германієві - 60...+85 °С. Це обумовлено тим, що при температурах вище 85 °С різко збільшується власна провідність германія, що приводить до неприпустимого зростання зворотного струму. Разом з тим пряме спадання напруги в кремнієвих діодів більше, ніж у германієвих. Це пояснюється тим, що в германієвих діодів можна одержати величину опору в прямому напрямку в 1,5-2 раз меншу, чим у кремнієвих, при однаковому струмі навантаження. Тому потужність, що розсіюється всередині германієвого діода, в стільки ж раз менше. У зв'язку з цим у випрямних пристроях низьких напруг вигідніше застосовувати германієві діоди. До основних стандартизованих параметрів випрямних діодів відносяться: Середній прямий струм І_пр.ср - середнє за період значення прямого струму. Максимально припустимий середній прямий струм І_{пр. ср. max} Середній випрямлений струм І_{вп. ср} - середнє за період значення випрямленого струму, що протікає через діод (з урахуванням зворотного струму). Максимально припустимий середній випрямлений струм І _{вп ср. max} Постійна пряма напруга U_пр - значення постійної напруги на діоді при заданому постійному прямому струмі. Середня пряма напруга U_{пp. ср} - середнє за період значення прямої напруги при заданому середньому значенні прямого струму. Постійна зворотна напруга Uобр - значення постійної напруги, прикладеної до діода в зворотному напрямку. Максимально припустима постійна зворотна напруга U_{обр. max} Максимально припустима імпульсна зворотна напруга U_{обр. і. max} Постійний зворотний струм І_обр - значення постійного струму, що протікає через діод у зворотному напрямку при заданій, зворотній напрузі. Середній зворотний струм І_{обр. ср} - середнє за період значення зворотного струму.

Рисунок 8 - Паралельне (а) і послідовне (б) з'єднання випрямних діодів

При розробці випрямних схем може виникнути необхідність одержати випрямлений струм, що перевищує гранично припустиме значення для одного діода. У цьому випадку застосовують рівнобіжне включення однотипних діодів (рисунок 8, а). Для вирівнювання струмів, що протікають через діоди, послідовно з діодами включаються омічні додаткові резистори Rдод порядку декількох Ом. Це дозволяє штучно зрівняти прямі опори діодів, що для різних зразків приладів можуть бути істотно різними. У високовольтних ланцюгах часто використовують послідовне з'єднання діодів (рисунок 8, б). При такому з'єднанні напруга розподіляється між усіма діодами. Для забезпечення надійної роботи діодів паралельно кожному з них варто включити резистор (порядку 100 кОм) для вирівнювання зворотних опорів. У цьому випадку напруги на всіх діодах будуть рівними.