4. Примесная проводимость полупроводников.

Для того, чтобы изготовить полупроводниковые приборы, вещество полупроводника должно быть очищено от примесей до очень высокой степени чистоты. Иными словами, чтобы на 10 000 000 «своих» атомов было не более одного «чужака». Очистка производится в несколько этапов и все процедуры очистки проходят при температуре плавления вещества полупроводника. Расплавляют вещество и в этом пекле выращивают монокристалл. В данной лекции рассмотрим, как изменятся свойства полупроводников при введении в них атомов посторонних химических элементов. На первый раз наше намерение покажется странным: зачем надо было очищать полупроводник, если мы его собираемся снова «загрязнять»?

Прежде чем ответить на этот вопрос, рассмотрим кристаллическую решётку самого распространённого полупроводникового элемента – кремния.

Кремний четырёхвалентен. Значит, каждый атом кремния связан ковалентной связью с четырьмя соседними атомами.

А теперь представим себе, что мы один из атомов кремния заменили атомом полупроводника, валентность которого больше. Допустим, что это будет пятивалентная сурьма. На приведённой ниже схеме «чужака обозначим жирным оттенком. И тогда получится, что четыре валентных электрона атома сурьмы свяжутся с четырьмя соседними атомами кремния, а пятого электрона свободной связи не найдётся и он останется свободным. Таким образом, каждый атом сурьмы вносит с собой один свободный электрон Поскольку электрон имеет отрицательный заряд, то кристалл полупроводника, в который введена примесь с большей валентностью, будет называться сокращённо полупроводником n-типа.(от латинского словаnegativ- отрицательный).

А теперь представим себе, что мы в кристалл четырёхвалентного кремния введём трёхвалентную примесь, например, атом индия. Поскольку у атома индия на внешней оболочке всего три электрона, то для того, чтобы образовать ковалентные связи с четырьмя соседними атомами кремния, у атома индия одного электрона не хватит. Значит, атом индия, внедрившись в кремний, внесёт с собой дырку, для которой электрона не хватит.

Поскольку дырка эквивалентна положительному заряду, то полупроводник, в который введена примесь с меньшей валентностью, будет называться сокращённо полупроводником р-типа(от латинского словаpositiv – положительный).

Из всего сказанного можно сделать вывод, что если в полупроводник ввести примеси, валентности которых не равны валентности полупроводника, то в этом случае число свободных электронов и число дырок не будет равным друг другу и такой полупроводник при абсолютном нуле не будет вести себя как диэлектрик.

5. p-n – переход. Диод и транзистор.

Мы познакомились с полупроводникамиp-типа иn-типа.Представим себе, что мы приведём эти оба полупроводника в тесное соприкосновение. Таким образом мы создадимp-n переход.

А теперь возьмем источник постоянного тока, подсоединим к р положительный полюс источника, а кn – отрицательный.

Электроны и дырки движутся навстречу друг другу и на границе двух полупроводников рекомбинируют друг с другом. А в это время источник в n –область подаёт новые электроны, а вр –области образуются новые дырки. И по данномуp-n переходу течёт ток.

А теперь поменяем полярность источника тока и посмотрим, что из этого получится.

Обратная полярность источника тока привела к тому, что электроны и дырки разбежались в противоположные стороны и ток через переход прекратился.

Таким образом, нами открыто важнейшее свойство p-n перехода:

p-n переход пропускает электрический ток только в одну сторону.

Таким образом, был создан такой полупроводниковый радиоэлектронный элемент, как полупроводниковый диод.Он представляет собойp-nпереход, заключённый в особую упаковку из металла или пластмассы и имеющий токопроводящие выводы. Он имеет условное графическое обозначение:

Его значок напоминает остриё стрелки, показывающей, в какую сторону по нему может проходить ток (имеется в виду условное направление тока). В обратную сторону он ток не пропустит.

Полупроводниковый диод обладает теми же свойствами и имеет то же применение, что и вакуумный диод. Однако он от вакуумного диода отличается исключительной экономичностью, так как у него нет нагреваемого катода и КПД его приближается к 100%. Полупроводниковый диод имеет очень малые размеры и не обладает хрупкостью, как вакуумный диод. Кроме того, можно изготовить полупроводниковые диоды различных типов: стабилитроны, фотодиоды, светодиоды, управляемые диоды, туннельные диоды и т.д. В радиоэлектронике полупроводниковые диоды уже практически вытеснили вакуумные диоды. Вся современная радиоэлектронная аппаратура содержит в себе большое количество диодов различных типов.

Можно создать полупроводниковый прибор, обладающий двумя p-n переходами. Такой прибор называетсяполупроводниковым триодом илитранзистором.При этом транзистор бывает двух видов, в зависимости от чередования типов полупроводников.

Ниже приводятся их структурные схемы и условные графические изображения:

прямой обратный

У транзистора три слоя: средний слой называется базаи обозначается буквойб. С одной стороны к нему примыкает слой, который впрыскивает в базу свободные заряды и он называетсяэмиттер (э), а с другой стороны к базе примыкает слой, собирающий свободные заряды, которые прошли через базу и он называетсяколлектор (к). Работа транзистора довольно сложна и выходит за рамки нашей программы, поэтому остановимся только на принципе работы транзистора.

У транзистора два p-n перехода и включены они, как видно из схемы, в противоположных направлениях. При таком включении ток через оба диода не пойдёт: если один из них будет открыт, то другой обязательно будет закрыт. Поэтому ток через транзистор от эмиттера до коллектора идти не будет. Но если на базу подать хотя бы слабый ток, то ток через весь транзистор начинает проходить. Получается, что слабый ток базы влияет на сильный ток, проходящий через весь транзистор.

Итак, транзистор имеет очень важные свойства:

а) Ток через транзистор от эмиттера до коллектора будет

проходить только в том случае, если на базу подать хотя бы

слабый ток.

б) Малейшее изменение тока базы вызывает сильное изменение

тока через весь транзистор.

Отсюда напрашивается аналогия с вакуумным триодом. Только у транзистора роль катода выполняет эмиттер, роль анода – коллектор, а в роли сетки выступает база.

Таким образом, транзистор можно использовать как усилитель сигнала. Слабый сигнал подают на базу, а усиленный сигнал снимают с коллектора. В итоге транзисторы сразу, после своего появления, стали в электронике заменять вакуумные триоды.