17. 3. Вопросы

1. Опишите процесс легирования полупроводникового ма­териала.

2. Какие два типа примесей используются для легирования?

3. Что определяет тип проводимости (n-тип или p-тип) ле­гированного полупроводника?

4. Как легирование поддерживает ток в полупроводнико­вом материале?

5. Чем определяется проводимость полупроводникового материала?

РЕЗЮМЕ

• Полупроводниковыми материалами являются любые материалы, проводимость которых лучше проводимос­ти изоляторов, но хуже проводимости проводников.

• Чисто полупроводниковыми материалами являются уг­лерод (С), германий (Ge) и кремний (Si).

• В большинстве полупроводниковых приборов использу­ется кремний.

• Валентность — это показатель способности атома при­соединять или отдавать электроны.

• Полупроводниковые материалы имеют наполовину за­полненные валентные оболочки.

• Кристаллы образуются из атомов, которые совместно ис­пользуют свои валентные электроны путем образования ковалентных связей.

• Полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления: при повы­шении температуры их сопротивление падает.

• Тепло создает проблемы в полупроводниковых материа­лах, позволяя электронам разрывать ковалентные связи.

• При повышении температуры, электроны в полупро­водниковом материале дрейфуют от одного атома к дру­гому.

• Дырка представляет собой отсутствие электрона в валент­ной оболочке.

• Разность потенциалов, приложенная к чисто полупро­водниковому материалу, создает поток электронов, дви­жущийся к положительному выводу и поток дырок, движущийся к отрицательному выводу.

• Ток в полупроводниковых материалах состоит из на­правленного движения электронов и направленного дви­жения дырок.

• Легирование — это процесс добавления примесей в по­лупроводниковый материал.

• Трехвалентные материалы имеют атомы с тремя валент­ными электронами и используются для изготовления полупроводников р-типа.

• Пятивалентные материалы имеют атомы с пятью валент­ными электронами и используются для изготовления полупроводников п-типа.

• В полупроводнике п-типа электроны являются основны­ми носителями, а дырки — неосновными носителями.

• В полупроводнике p-типа дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями.

• Полупроводниковые материалы п- и p-типа имеют зна­чительно более высокую проводимость, чем чистые по­лупроводниковые материалы.

Глава 19. Самопроверка

1. Что делает кремний более желательным для использо­вания, чем германий?

2. Почему при образовании полупроводниковых материа­лов важна ковалентная связь?

3. Опишите, как перемещаются электроны в образце чис­того кремния при комнатной температуре?

4. Опишите процесс превращения образца чистого крем­ния в полупроводник п-типа.

5. Опишите, что случится в образце полупроводника п- типа, когда к нему будет приложено напряжение?

Глава 20. Диоды на основе р-n перехода

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в со­стоянии:

• Описать, что такое диод на основе р-n перехода, и как его изготовляют.

• Дать определение обедненного слоя и потенциального барьера.

• Объяснить разницу между прямым смещением диода и обратным.

• Нарисовать схематическое обозначение диода и указать его электроды.

• Описать три конструкции диода.

• Перечислить чаще всего встречающиеся корпуса диодов.

• Проверить диоды с помощью омметра.

Диод — это простейший полупроводниковый прибор. Он позволяет току течь только в одном направлении. Знания, полученные при изучении диодов применимы также к другим типам полупроводниковых приборов.

17. 1. р-n ПЕРЕХОД

Когда чистый полупроводниковый материал легирует­ся пятивалентным или трехвалентным материалом, леги­рованный материал называется полупроводником п- или p-типа, в зависимости от того, какие носители являются основными. В целом образец полупроводника любого типа является нейтральным, так как каждый атом содержит одинаковое число протонов и электронов.

Независимые электрические заряды существуют в по­лупроводниковых материалах каждого типа, так как электроны могут свободно дрейфовать. Дрейфующие элек­троны и дырки называются подвижными зарядами. Кро­

ме подвижных зарядов, каждый атом, который теряет электрон, считается положительным зарядом, так как он имеет больше протонов, чем электронов. Аналогично, каждый атом, который присоединяет электрон, имеет больше электронов, чем протонов и считается отрицатель­ным зарядом. Как указывалось в главе 1, эти заряженные атомы называются положительными и отрицательными ионами. В полупроводниковых материалах п- и р-типа всегда содержится равное количество подвижных и ион­ных зарядов.

Диод создается соединением двух полупроводников п- и р-типа (рис. 20-1). В месте контакта этих материалов образуется переход. Это устройство называется диодом на основе р-n перехода.

При формировании перехода подвижные заряды в его окрестности притягиваются к зарядам противоположного знака и дрейфуют по направлению к переходу. По мере накопления зарядов этот процесс усиливается. Некоторые электроны перемещаются через переход, заполняя дырки вблизи перехода в материале р-типа. В материале п-типа в области перехода электронов становится меньше. Эта об­ласть перехода, где концентрация электронов и дырок уменьшена, называется обедненным слоем. Он занимает небольшую область с каждой стороны перехода.

Рис. 20-1. Диод создается соединением вместе двух материалов р- и п-типа, образующих р-n переход.

0 О	0	0	0
- G 0 0 ©	0 0	0	0
(7\ О	("+)	0	0
о	©

p-тип п-тип

ОБЕДНЕННЫЙ СЛОЙ

В обедненном слое нет основных носителей, и материа­лы n-типа и р-типа не являются больше электрически ней­тральными. Материал n-типа становится положительно за­ряженным вблизи перехода, а материал р-типа — отрица­тельно заряженным.

Обедненный слой не может стать больше. Взаимодей­ствие зарядов быстро ослабевает при увеличении расстоя­ния, и слой остается малым. Размер слоя ограничен заря­дами противоположного знака, расположенными по обе стороны перехода. Как только отрицательные заряды рас­полагаются вдоль перехода, они отталкивают другие элек­троны и не дают им пересечь переход. Положительные заряды поглощают свободные электроны и также не дают им пересечь переход.

Эти заряды противоположного знака, выстроившиеся с двух сторон перехода, создают напряжение, называемое потенциальным барьером. Это напряжение может быть представлено как внешний источник тока, хотя существует только на р-n переходе (рис. 20-2).

Рис. 20-2. Потенциаль­ный барьер, существую­щий вблизи р-n перехода.

Потенциальный барьер довольно мал, его величина со­ставляет только несколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального барьера — 0,3 вольта для р-n пе­рехода в германии, и 0,7 вольта для р-n перехода в крем­нии. Потенциальный барьер проявляется, когда к р-n пе­реходу прикладывается внешнее напряжение.