ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В РАЗЛИЧНЫХ СРЕДАХ

6. Тема: Электрический ток в полупроводниках.

p-n переход

(лекция)

Цель урока:

1. Объяснить явления, происходящие при контакте полупроводников p– и n–типов, объяснить вольтамперную характеристику полупроводникового диода.

2. Рассмотреть работу полупроводников диода, транзисторов, термисторов и фоторезисторов.

В современной электронной технике полупроводниковые приборы играют исключительную роль. За последние три десятилетия они почти полностью вытеснили электровакуумные приборы.

Электронно-дырочный переход или p–n–переход – является границей, разделяющей области с дырочной (p–) и электронной (n–) проводимостью в одном и том же монокристалле.

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно–дырочный переход (или n–p–переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости.

Рассмотрим полупроводник, в левой части которого существует область с электронной проводимостью, а справа – с дырочной. Через границу этих полупроводников происходит взаимная диффузия (тепловое движение) основных носителей: электроны из n–полупроводника диффундируют в р–полупроводник, а дырки из р–полупроводника в n–полупроводник.

Полупроводники, как новый материал для электротехники, стали применять только в середине прошлого века, а термин полупроводники был впервые предложен и использован в публикации немецкого электрохимика И. Кенигсбергера в 1914 году. http://www.epos.ua/view.php/pubs_computer_history_Ukraine_diode

В результате участок n–полупроводника, граничащий с контактом, будет обеднен электронами, и в нем образуется избыточный положительный заряд, обусловленный наличием оголенных ионов донора (пятивалентной примеси). Движение дырок из р–полупроводника в n–полупроводник приводит к возникновению избыточного отрицательного заряда, образованного нескомпенсироваными «отрицательными» ионами акцептора (трехвалентной примеси) в пограничном участке р–полупроводника.

Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости (запирающий слой) в связи с уходом свободных электронов и «дырок» практически превращается в диэлектрик.

В результате образуется двойной электрический слой, и возникает контактное электрическое поле Е_зап, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда. Так как по мере накопления объемного заряда энергия поля увеличивается и оно оказывает все большее противодействие переходом электронов из n–области в p–полупроводник и соответственно «дырок» из p–области в n–полупроводник. Этот слой называют запирающим.

Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов этого слоя, обычно достигающего толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний, создают запирающее напряжение U_зап. Для германия Ge оно равно U_зап =0,35 В; для кремния Si – U_зап =0,6 В (оценим напряженность запирающего поля: U0,40,8 В, толщина слоя d10^-7 м, поэтому – очень велика).

N–p–переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Если полупроводник с n–p–переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n–областью, а отрицательный – с p–областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p–области и электроны в n–области будут смещаться от n–p–перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое, расширяя его.

Ток через n–p–переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p–переход, в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p–области и дырок в n–области.

Если n–p–переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p–областью, а отрицательный с n–областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p–области и электроны из n– области, двигаясь навстречу друг другу, следуя силе, действующей на них со стороны внешнего электрического поля, будут пересекать n–p– переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p– переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Полупроводниковый диод. Способность n–p–перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Рассмотрим приборы – полупроводниковые диоды – обладают способностью хорошо пропускать через себя ток одного направления и плохо – противоположного направления.

Это свойство используют, например, в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный (ток одного направления).

Слово «диод» (греческая приставка «ди» – дважды и сокращение слова «электрод»).

Достоинства:

1. Малые размеры и массы.

2. Длительный срок службы.

3. Высокая механическая прочность.

4. Высокий КПД.

Недостаток: зависимость их параметров от температуры.

Наряду с выпрямительными свойствами p–n–переход обладает электроемкостью, зависящей от значения и полярности приложенного напряжения.

При прямом напряжении электроемкость диода больше, чем при обратном напряжении. С увеличением обратного напряжения электроемкость уменьшается.

Кремниевые диоды, например, могут удовлетворительно работать только в диапазоне температур от –70 °C до 80 °C. У германиевых диодов диапазон рабочих температур несколько шире.

Разновидности полупроводниковых диодов:

Способ изготовления диода: на пластину полупроводника (Ge) с электронной проводимостью накладывают небольшой кусочек In и помещают в печь (при 500С). In вплавляется в пластинку Ge, образуя в ней область дырочной проводимости. К пластинке и капле In припаивают 2 проволочных вывода электродов. Весь прибор – герметичный, помещают в непрозрачный корпус, чтобы защитить от влаги и света.

1. Стабилитрон – полупроводниковый диод, у которого сопротивление в обратном направлении уменьшается с увеличением силы тока, так что напряжение на диоде практически не меняется.

2. Варикап – полупроводниковый диод, емкость p– n– перехода которого зависит от значения приложенного напряжения; может быть использован как конденсатор, с управленческой электроемкостью приложенным напряжением.

3. Фотодиод – полупроводниковый диод – в его корпусе есть окно для освещения p– n–перехода под действием света сопротивление меняется и, следовательно, меняется сила тока – он еще и является источником электрической энергии. Имея миниатюрную линзу, управляется световым потоком. В зависимости от своей разновидности может функционировать как в ультрафиолетовом, так и в инфракрасном диапазоне спектра.

4. Полупроводниковый диод Ганна – используется для генерирования частот диапазоном до десятков гигагерц.

5. СВЧ-диод – отличается определенными конструктивными особенностями и применяется в устройствах, работающих на сверхвысоких и высоких частотах.

6. Импульсный диод – для него характерно высокое быстродействие и малое время восстановления. Такой тип применяется в различных видах импульсной техники (например, в импульсном блоке питания).

7. Диод Шотки – предназначен для работы в стабилизаторах напряжения, а также в импульсных преобразователях.

8. Лавинно-пролетный диод – способен генерировать частоты вплоть до 180 ГГц.

9. Светодиод – у этого типа очень широкий спектр применения. Его также часто используют в различных альтернативных осветительных приборах.

10. Твердотельный лазер – используется для считывания и записи данных на оптические диски. Пример использования: бытовые CD/DVD-плееры.

Сложно представить себе нынешнее развитие технологий без этого замечательного небольшого прибора – полупроводникового диода.

Транзистор – главная часть радиоприемников, магнитофонов, телевизоров и других приборов. Полупроводниковый прибор не с одним, а с двумя n–p–переходами называется транзистором.

Название происходит от сочетания английских слов: transfer – переносить и resistor – сопротивление. Обычно для создания транзисторов используют германий и кремний.

Транзисторы бывают двух типов: p–n–p–транзисторы и n–p–n-транзисторы. Например, германиевый транзистор p–n–p–типа представляет собой небольшую пластинку из германия с донорной примесью, т. е. из полупроводника n–типа. В этой пластинке создаются две области с акцепторной примесью, т. е. области с дырочной проводимостью (смотри рисунок справа, верхний).

В транзисторе n–p–n–типа основная германиевая пластинка обладает проводимостью p-типа, а созданные на ней две области – проводимостью n–типа (смотри рисунок справа, нижний).

Пластинку транзистора называют базой (Б), одну из областей с противоположным типом проводимости – коллектором (К), а вторую – эмиттером (Э). Обычно объем коллектора превышает объем эмиттера. В условных обозначениях на схемах стрелка эмиттера показывает направление тока через транзистор.

Оба n–p–перехода транзистора соединяются с двумя источниками тока. На рисунке ниже показано включение в цепь транзистора p–n–p–структуры. Переход «эмиттер–база» включается в прямом (пропускном) направлении (цепь эмиттера), а переход «коллектор–база» – в запирающем направлении (цепь коллектора).