книги из ГПНТБ / Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ

Рис. 83. Условное изображение кристаллической решетки хими­ чески чистого полупроводника

Рис. 84. Энергетические уровни

90

ную зону» в зону проводимости, необходимо воздействовать на полупроводник каким-либо источником энергии. Электроны, по­ павшие в зону проводимости, в отличие от валентных электро­ нов не связаны с отдельными атомами. Они находятся в твердом теле в свободном состоянии и могут передвигаться от одного атома к другому хаотически или под действием внешнего элек­ трического поля направленно-.

Проводимость полупроводника, созданная движением сво­ бодных электронов, которые обладают энергией зоны проводи­ мости, называется электронной проводимостью.

Каждый валентный электрон, переходя в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободный энергетический уровень. Свободный энергетический уровень в валентной зоне называется дыркой. Дырку в ковалентной связи может заполнить электрон, высвободившийся при разрыве соседней ковалентной связи, где также появится дырка, и т. д., т. е. можно считать, что дырки в пределах валентной зоны движутся в направлении, противо­ положном направлению движения электронов. При наличии электрического поля, приложенного к полупроводнику, переме­ щение дырок становится направленным. Это равносильно пере­ мещению положительных зарядов, равных по величине зарядам электронов. Проводимость полупроводника, обусловленная дви­ жением дырок, называется дырочной проводимостью. Следует помнить, что дырки могут перемещаться только в валентной зоне полупроводника и в зону проводимости переходить не могут.

'Химически чистый полупроводник имеет только собственную электронную и дырочную проводимость, которая при нормаль­ ной температуре и освещенности практического значения не имеет.

Электропроводность полупроводника значительно увеличи­ вается при введении в него небольшого количества специально подобранных примесей.

Если в химически чистый материал полупроводника (в гер­ маний или кремний), являющийся четырехвалентным элемен­ том, ввести примесь пятивалентного элемента (например, фос­ фор, мышьяк или сурьму), то ряд атомов четырехвалентного материала в узлах кристаллической решетки замещается ато­ мами пятивалентного элемента. Как видно из рис. 85, пятый валентный электрон оказывается лишним для связи между ато­ мами и, легко отрываясь от своего атома, оказывается свобод­ ным. Оторвавшиеся от атомов примеси свободные от валентных связей пятые электроны образуют свой энергетический уровень, который расположен около границы «запрещенной зоны» и зоны проводимости. Таким образом, за счет свободных электронов зона проводимости увеличивается (рис. 84,6).

Примесь, увеличивающая число электронов в зоне проводи­ мости полупроводника, называется донорной, а сам полупро-

91

Рис. 85. Условное изображение кристаллической решетки полу­ проводника п-типа

Рис. 86. Условное изображение кристаллической решетки полупро' водника р-типа

92

водник — полупроводником . с электронной проводимостью, или полупроводником «-типа.

Если в химически однородный материал, состоящий из четы­ рехвалентных атомов, ввести примесь трехвалентного элемента, например индия, то, наоборот, для заполнения парных валент­ ных связей соседних атомов одного электрона будет нехватать. Атом примеси в кристаллической решетке материала полупро­ водника будет устойчивым отрицательным ионом, а в ковалент­ ной связи соседнего атома четырехвалентиого элемента оста­ нется дырка (рис. 86). При этом число дырок резко возрастает (рис. 84, б). Примесь, увеличивающая число дырок в полупро­ воднике, называется акцепторной, а полупроводник называется полупроводником, имеющим дырочную проводимость, или полу­ проводником р-типа.

Проводимость полупроводника с примесями в зависимости от их концентрации в тысячи раз больше, чем проводимость хи­

контактную поверхность (показанную на рис. 87,6 граничной линией): электроны — из области п в область р, дырки — из об­

93

ласти р в область п. Взаимное проникновение основных носите­ лей заряда в материал противоположного типа проводимости называется диффузией. Диффузия электронов и дырок, находя­ щихся в хаотическом тепловом движении, приводит к образова­

нейтрализованные положительные ионы примесных атомов, жестко связанные с кристаллическими решетками и образую­ щие объемный положительный заряд. Электроны, проникшие в область р из области п, через некоторое время воссоединя­ ются (рекомбинируют) с дырками области р, возвращаясь в ва­ лентную зону. Количество свободных электронов уменьшается. Время, в течение которого количество носителей заряда в ре­ зультате рекомбинации уменьшается в е раз (е = 2,718...), назы­ вается временем их жизни т. За время жизни, пока не про­ изошла рекомбинация, электроны проходят в слое 1Р расстоя­ ние, равное длине диффузионного смещения, способствуя обра­ зованию в пограничном слое 1Р объемного отрицательного за­ ряда. Объемный отрицательный заряд образуется не нейтрализо­ ванными зарядами отрицательных ионов из-за диффузии из об­ ласти р в область п дырок. Дырки, перешедшие в область л до рекомбинации с электронами, способствуют образованию в слое 1п объемного положительного заряда.

На границе n-р-перехода объемными зарядами создается разность потенциалов, подобная той, которая образуется на обкладках конденсатора. Контактная разность потен­ циалов на /г-р-переходе, образующаяся при отсутствии внеш­ него электрического поля, называется потенциальным барье­ ром.

Потенциальный барьер иП изменяется на /г-р-переходе для электронов от значения —и до значения +и (рис. 87, в), для дырок — от значения +ц до значения —и (рис. 87, г). Вне пе­ рехода разность потенциалов отсутствует. Чтобы преодолеть потенциальный барьер (в направлении, показанном на рис. 87,в,г сплошными стрелками), основные носители заряда должны иметь достаточную энергию. Но энергия их теплового движения ограничена, и по мере увеличения потенциального барьера все меньшее число основных носителей заряда спо­ собно преодолеть его. Вследствие этого закончится и рост по­

тенциального барьера.

Таким образом, потенциальный барьер препятствует диффу­ зии основных носителей заряда и является для них сопротивле­

(в направлении, показанном на рис. 87, в, г пунктирными стрел­ ками): электронов из области р в область п (рис. 87,в), дырок из области п в область р (рис. 87,а).

9 4

При установившемся режиме через я-р-переход могут диф­ фундировать только те основные носители заряда, которые обла­ дают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. При отсутствии внешнего электрического поля основ­ ные носители заряда образуют диффузионный ток £д. Диффузи­ онный ток компенсируется встречным током, образуемым неос­ новными носителями заряда и называемым током проводи­ мости Znp. При £д= inp наступает состояние равновесия.

Подведем к полупроводнику от внешнего источника питания напряжение (рис. 88). Напряжение, приложенное положитель­

(рис. 89), приложенное к тем же областям, называется обратным. Прямое напряжение создает в я-р-переходе ускоряющее

заряда перемещаются к я-р-переходу из своих областей на­ встречу друг другу, пополняя пограничные области 1п и 1р. Ши­ рина я-р-перехода, а следовательно, и потенциальный барьер уменьшаются от величины иа до величины и'П (рис. 88, в). Умень­

шается сопротивление я-р-перехода для основных носителей заряда, вследствие чего их поток будет преобладать над пото-

95

ком неосновных носителей заряда. Результирующий ток, проте­ кающий через я-р-переход и создаваемый движением основных носителей заряда, называется прямым током. Изменяя вели­ чину внешнего напряжения U, можно регулировать прямой ток через я-р-переход.

При подведении к полупроводнику обратного напряжения (рис. 89) в я-p-переходе создается тормозящее электрическое поле для основных носителей заряда. Преобладающим стано­ вится поток неосновных носителей заряда, для которых это же электрическое поле является ускоряющим. Создаваемый движе­ нием неосновных носителей заряда при действии внешнего источ­ ника питания ток называется обратным током. Количество неос­ новных'носителей заряда в полупроводнике ничтожно мало, и величина обратного тока мала и незначительно зависит от вели­ чины обратного напряжения.

Таким образом, полупроводник с электронно-дырочным пере­ ходом пропускает ток преимущественно в одном направлении, т. е., как и двухэлектродная лампа, обладает односторонней про­ водимостью. Это свойство полупроводников используется в по­ лупроводниковых диодах.

§ 2. Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называется электропреобразовательный прибор с одним или несколькими я-р-переходами, заключенный в герметический корпус и имеющий два металли­ ческих вывода для включения в цепь.

В зависимости от способа образования я-р-перехода полу­ проводниковые диоды бывают точечные и плоскостные.

с острым концом. В определенной точке кристалла острый конец проволочки устанавливают под небольшим давлением, а затем через образовавшийся контакт пропускают импульс тока элек­ тросварки. При этом расплавляется часть кристалла и часть проволоки. В кристаллической решетке полупроводника появля­

проводимостью наплавляют каплю индия 2. Атомы индия про­ никают в глубь германиевой пластины и создают в ней область с дырочной проводимостью 3. ~

Конструкции точечного и плоскостного полупроводниковых диодов показаны на рис. 92 и 93.

Принцип действия полупроводникового диода . основан на рассмотренном выше свойстве односторонней проводимости

96

5

Рис. 92. Устройство точечного диода:

1 и 5 — выводы; 2 и 4 — металлические фланцы; 3 — ке­ рамическая втулка; 6 — игла; 7 — кристалл германия; 8 — кристаллодержатель

Рис. 93. Устройство плоскостного диода:

n-д-перехода. При увеличении прямого напряжения п-р-пере- хода от нуля до значения +и (рис. 94) потенциальный барьер ип становится меньше, поток основных носителей заряда возрас­ тает, прямой ток tnp резко увеличивается. Этот процесс показан графически на рис. 94 кривой OD вольт-амперной характерис­ тики полупроводникового диода ABCOD. Если к /г-р-переходу приложить обратное напряжение и0бр, то его увеличение от нуля до значения «0бр ведет к увеличению потенциального барьера ип, т. е. к увеличению сопротивления для основных носителей за­ ряда. Прямой ток 1Пр практически прекращается, а обратный

Рис. 94. Вольтамперная характеристика полупроводникового диода

ток г'обр возрастает незначительно, так как количество неоснов­ ных носителей зарядов в полупроводнике ничтожно (кри­ вая ОБ). При значении—и'0бр обратный ток достигает значения тока насыщения is (точка С). С дальнейшим увеличением обрат­ ного напряжения возникает пробой гс-р-перехода и ток в цепи полупроводникого диода резко возрастает (участок кривой ВА). При этом происходит разрушение ковалентных связей атомов и резкое возрастание количества неосновных носителей заряда, ускоряемых электрическим полем. Пробой наступает и при рез­ ком увеличении температуры, когда диод может расплавиться. При пробое свойство односторонней проводимости полупровод­ никового диода нарушается. Поэтому следует выдерживать определенный температурный режим работы и следить за пра­ вильностью включения полупроводникового диода в электриче­ скую црпь в соответствии с его полярностью. Полярность диода показывается на его выводах или на корпусе условным обозна­ чением (рис. 92).

Параметрами полупроводникового диода являются:

— inp — величина прямого тока при прямом напряжении ипр= 1 В;

98

—«обр — наибольшее допустимое обратное напряжение, ве­

личина которого принимается равной 80% величины напряже­

ния «проб, при котором происходит пробой полупроводникового диода;

— *обр — величина обратного тока при данном обратном напряжении «0бр;

— ^пдопС — допустимая температура д-р-перехода, при кото­ рой полупроводниковый диод еще сохраняет способность одно­ сторонней проводимости;

—/пред — предельная частота, при превышении которой эф­

фективность диода выпрямлять переменный ток резко падает;

— Рцоп — допустимая мощность, которую можно длительное время рассеивать без опасения перегрева диода.

Рис. 95. Условное обозначение полупроводниковых диодов:

а — полупроводниковый выпрямитель; б — варикап; в — туннельный диод; а — обращенный днод; д — полупроводниковый стабилитрон; е — полупроводниковый диод с температурной зависимостью; ж — фотодиод; з — тиристор

Как и двухэлектродная лампа, полупроводниковый диод при­ меняется в качестве выпрямителя переменного тока. В зависи­ мости от частоты и области применения существуют специаль­ ные типы полупроводниковых диодов. К ним относятся парамет­ рический диод (варикап), туннельный диод, обращенный диод, полупроводниковый стабилитрон, термистор, фотодиод, тири­ стор. Их условные обозначения показаны на рис. 95.

Параметрический диод (варикап) в различных электронных устройствах применяется в качестве управляемой емкости. По­ ясним его принцип действия с помощью эквивалентной схемы (рис. 96), в которой резистор Rn характеризует сопротивление п-р-перехода переменному току, емкость Сп — емкость пере­ хода, образованную объемными зарядами донорных и акцептор­ ных ионов при приложенном к переходу обратном напряжении, Сд — диффузионная емкость, определяемая суммарным зарядом