33.7. Напівпровідникові прилади

Основний елемент сучасних напівпровідникових приладів — це p-n перехід. Розглянемо коротко деякі типи напівпровідникових приладів на p-n переході.

1. Випрямляючий діод. Несиметричність вольт-амперної характеристики p-n переходу дозволяє використовувати його для випрямлення змінного струму. Кремнієві діоди працездатні до температури ~200 ºС, дозволяють випрямляти напруги до 600 В при силі струму до 10³ A і використовуються в силовій електротехніці, повністю витиснувши менш надійні випрямлячі інших типів. У радіотехніці використовуються «точкові» діоди з малою власною ємністю, які дають можливість випрямляти високочастотні напруги (  10⁵…10⁶Гц).

Рис. 33.14

Рис. 33.15

2. Стабілітрони. У цих приладах, призначених для стабілізації напруги живлення радіокіл, використовується незалежність сили дрейфового струму від значення прикладеної напруги, що дозволяє одержувати постійні (стабілізовані) напруги до 10...20 В.

3. Тунельний діод. У тунельному діоді в напівпровідники p- і n-типів уводиться значна концентрація домішкових атомів, так що їх дискретні енергетичні рівні розщеплюються, утворюючи зони, які перекриваються з валентною зоною й зоною провідності (рис. 33.14). При цьому область p-n переходу стає дуже тонкою ( 1...5 нм), що дозволяє електронам переходити через неї за механізмом тунельного ефекту. Вольт-амперна характеристика тунельного діода показана на рис. 33.15. Видно, що в області додатних напруг одному значенню сили струму відповідають три значення напруги (U₁, U₂, U₃), причому значення U₁ і U₃ відповідають стійкому стану, а U₂ — нестійкому. Час переходу тунельного діода з одного стійкого стану в інший становить  10^{‑ 9} с, що дозволяє застосовувати його у швидкодіючих обчислювальних машинах.

4. Використання p-n переходу для вимірювання температури і проведення аналогового логарифмування сигналів. Відповідно до формули (33.5) сила струму, що протікає через діод у пропускному напрямку, залежить від температури, що дає можливість використовувати його для вимірювання температури подібно термісторам. Експоненціальна залежність між силою струму й напругою обумовлює також здійснення логарифмування електричних сигналів, що використовується, наприклад, при розширенні меж виміру приладів.

5. Фотоелемент на p-n переході. При попаданні кванта світла на p-n перехід електрон з валентної зони може бути переведений у зону провідності, при цьому у валентній зоні утворюється дірка. Утворена електронно-діркова пара розтягується полем контактної різниці потенціалів і дірка попадає в напівпровідник p-типу, а електрон — у напівпровідник n-типу (рис. 33.16). Далі електрони й дірки, рухаючись по зовнішньому колу, створюють електричний струм.

Рис. 33.16

Фотоелемент такого типу перетворює світлову енергію в електричну і тепер використовується в космічній техніці. Самими вдалими виявилися кремнієві фотоелементи, ККД яких досягає 10-12 %. Цілком реальне значення ККД фотоелементів на p-n переході становить 15-20 %.

6. Фотодіод. Напівпровідниковий фотоелемент з p-n переходом, зворотний струм якого змінюється під дією світлового випромінювання, називають фотодіодом. Фотодіод включають в коло з навантажувальним опором і батареєю, що забезпечує замикаючий напрямок. При попаданні світла на p-n перехід у колі виникає електричний струм. Залежність сили фотоструму від світлового потоку лінійна. Інерційність фотодіода 10^-5 с. Основна перевага фотодіода (у порівнянні, наприклад, з фотоелементами на зовнішньому фотоефекті) – малі габаритні розміри й висока міцність.

7. Світлодіод. У деяких напівпровідників при пропусканні через p-n перехід струму в пропускному напрямку при рекомбінації електронно-діркової пари енергія може виділятися у вигляді фотонів. Світлодіоди наразі широко використовуються як сигнальні джерела світла та у пристроях для індикації інформації. За певних умов світлодіод може генерувати когерентне електромагнітне випромінювання, тобто такий прилад служить напівпровідниковим лазером (див. п. 34.3).

8. Транзистор. Надзвичайно широке поширення одержали напівпровідникові пристрої із двома p-n переходами — кристалічні тріоди або транзистори.

Розглянемо схему транзистора (рис. 33.17). Транзистор складається з області із провідністю n-типу — емітера, вузької смужки напівпровідника

-

Рис. 33.17

а в ланцюг база — колектор підключена у запираючому напрямку батарея з ЭРС (E₂  5...10…10 В).

Рис.33.18

На рис. 33.18 показаний хід потенціальної енергії електронів у випадку, коли джерелаE₁ іE₂ відключені (верхня крива). При підключенні джерел потенціальний бар'єр на границі емітер — база знижується, а на границі база — колектор збільшується (нижня крива). У результаті електрони легко переходять p-n перехід емітер-база в область бази, стаючи там неосновними носіями струму. Оскільки геометрична ширина бази мала, значна частина електронів дифундує крізь базу і проходить через другий p-n перехід у колектор. Саме головне полягає в тім, що при проходженні електронами p-n переходу колектор-база-колектор вони прискорюються за рахунок значної різниці потенціалів, створеної на цьому переході батареєю E_2. Сила струму в ланцюзі колектора I_к близька до сили струму в ланцюзі емітера I_е, але оскільки опір першого p-n переходу значно менший, ніж другого (R_еб<<R_бк), то й напруга на другому p-n переході буде більшою. Таким чином транзистор при такій схемі включення (схема із загальною базою) підсилює сигнал по напрузі й, відповідно, по потужності. Коефіцієнт підсилення сучасних транзисторів K10⁴. Вони дуже економічні (з точки зору малого споживання енергії), характеризуються малими габаритними розмірами, що дозволило їм майже повністю витиснути електронні лампи.