1.4. Питання для самоперевірки.

1. Які проблеми вивчає електроніка?

2. Чим визначається електропровідність провідників, напівпровідників і діелектриків?

3. Що визначає квант енергії за Планком?

4. Що означає поняття «енергетичний рівень електрона»?

5. Що визначає рівень Фермі?

6. З чим пов’язаний перехід електрона з однієї орбіти на іншу за Бором?

7. Що означають поняття «енергетична зона», «валентна зона», «заборонена зона», «зона провідності»?

8. Що означає поняття «ковалентний зв’язок»?

9. Що в аспекті зонної теорії означає поняття «дірка»?

10. Як відбувається «генерація зарядів» і їх «рекомбінація»?

11. Що є носіями електричного струму у напівпровідниках?

12. Що називають електронною і дірковою електропровідністю?

13. Що називають власною електропровідністю напівпровідника?

14. Що називають домішковою електропровідністю напівпровідника?

15. Які домішки називаються донорними, а які акцепторними?

16. Що називають основними і неосновними носіями заряду? Які носії є осиновими, а які неосновними для різних типів напівпровідників?

17. В чому полягає ефект Пула?

18. В чому полягає ефект Зенера?

19. В чому полягає ефект Штарка?

20. В чому полягає ефект Френкеля?

21. В чому полягає ефект Ганна?

22. В чому полягає ефект поля?

23. В чому полягає тунельний ефект?

24. Які явища відбуваються при утворенні електронно-діркового переходу?

25. Чим зумовлений дифузійний і дрейфовий струми?

26. Поясніть поняття «потенціальний бар’єр».

27. Що відбувається в області електронно-діркового переходу при зворотному включенні?

28. Чим зумовлений пробій електронно-діркового переходу при зворотному включенні? Як розгортається пробій?

29. Що відбувається в області електронно-діркового переходу при прямому включенні?

30. Схарактеризуйте основні властивості електронно-діркового переходу.

31. Поясніть поняття «екстракція» і «інжекція».

32. Представте і поясніть вольт-амперну характеристику електронно-діркового переходу.

Зм 2. Напівпровідникові прилади

2.1. Напівпровідникові діоди1

Напівпровідниковим діодом називається прилад, що має один електронно-дірковий перехід.

Найбільше застосування отримали германієві і кремнієві напівпровідникові діоди, а також діоди, виконані на основі арсеніду галію.

Сфера застосування напівпровідникових діодів розширилася настільки, що практично важко назвати той або інший вузол електронної апаратури, в якому б не використовувалися ці різноманітні за своїм призначенням напівпровідникові прилади. Зокрема, випрямляючі діоди використовуються в таких широко поширених пристроях, як випрямлячі змінного струму, що забезпечують електроживленням переважну більшість сучасних електронних схем (рис. 2.1–1). Широке поширення в сучасній напівпровідниковій техніці отримали кремнієві стабілітрони, призначені для стабілізації напруги (рис. 2.1–2), варикапи, у яких ємність n-p переходу змінюється при зміні підведеної до них зворотної напруги (рис. 2.1–3), тунельні діоди (що мають на вольт-амперній характеристиці ділянку з від’ємним опором) (рис. 2.1–4), швидкодіючі імпульсні діоди (для роботи в схемах з імпульсами мікросекундного і наносекундного діапазону), різноманітні діоди надвисокого частотного (СВЧ) діапазону (для роботи як модуляторів, змішувачів, дільників і множників частоти), фотодіоди, які реагують на світлове опромінення (рис. 2.1–5), світлодіоди, призначені для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію світлового випромінення (рис. 2.1–6).

Рис. 2.1.

Інші види напівпровідникових приладів показані у відповідних розділах матеріалу, що викладається.

Можна не сумніватися в тому, що і в майбутньому напівпровідникові діоди будуть мати першорядне значення в електронній техніці, безперервно удосконалюватися і оновлюватися.

Найважливішими достоїнствами напівпровідникових діодів є:

• малі габаритні розміри і маса;

• високий коефіцієнт корисної дії (понад 99 %);

• відсутність джерела (емітера) електронів, яке потребує високої температури (на відміну від лампових діодів);

• практично необмежений термін служби (при виконанні відповідних правил експлуатації);

• висока надійність.

У залежності від способу отримання електронно-діркових переходів та його розмірів напівпровідникові діоди діляться на два типи: точкові і площинні.

В точковому діоді до кристалічного напівпровідника з одним типом провідності вплавляється кінець вольфрамової проволоки, на яку нанесений шар акцептора (якщо кристал має n-провідність) або донора (якщо кристал p-провідності). В процесі сплавлення атоми домішку з поверхні проволоки дифундують в кристал і в ньому утворюється n-p перехід.

Точкові діоди завдяки малій площі n-p переходу мають малу ємність, що зумовлює менше викривлення імпульсних сигналів (далі буде), і тому широко застосовуються у високочастотних схемах, зокрема в цифрових логічних і вимірювальних схемах.

В площинних діодах n-p перехід утворюється при наплавленні шматочку індію на германієвий або кремнієвий кристал з n-провідністю. Використовуються площинні діоди головним чином в схемах випрямлячів.

Основною характеристикою напівпровідникових діодів є вольт-амперна характеристика (ВАХ). Очевидно, що графік вольт-амперної характеристики діода уявляє собою вольт-амперну характеристику n-p переходу.

В залежності від призначення і фізичних властивостей, напівпровідникові діоди класифікуються на ряд груп, кожній з яких привласнено певне позначення. Малопотужні напівпровідникові діоди мають маркірування, що складається з шести елементів.

Перший елемент (буквений або цифровий) позначає вихідний матеріал, з якого виготовлений напівпровідниковий елемент діода: Г або 1 – германій; К або 2 – кремній, А або 3 – арсенід галію. Буквені позначення привласнюються приладам, що працюють при понижених температурах (германієві – до –60°, кремнієві – до –85°С), а цифрові – приладам, що працюють при підвищених температурах (герма­нієві - до +70°, кремнієві – до +120°С).

Другий елемент (буквений) позначають тип приладу: Д – випрямляючі, універсальні і імпульсні діоди} Ц – випрямляючі стовпи і блоки; С – стабілітрони і стабістори; А – надвисокочастотні діоди; В – варикапи; И – тунельні и обернені діоди; Л – випромінюючі діоди.

Третій елемент (цифровий) характеризує призначення діода або його електричні властивості.

Наприклад.

Стабілітрони і стабістори:

малої потужності (потужність, що розсіюється Р_макс < 0,3 Вт) при напрузі стабілізації U_ст < 10 В – 1; U_ст = 10… 99 В – 2; U_ст = 100… 199 В – 3;

середньої потужності (Р_макс = 0,3… 5 Вт) при U_ст < 10 В – 4; U_ст = 10… 99 В – 5; U_ст = 100… 199 В – 6;

великої потужності (Р_макс = 5… 25 Вт) при U_ст < 10 В – 7; U_ст = 10… 99 В – 8; U_ст = 100… 199 В – 9.

Діоди низької і високої частоти:

випрямляючі малої потужності (середнє значення прямого струму І_сер < 0,3 А) – 1;

випрямляючі середньої потужності (І_сер = 0,3  10 А) – 2;

універсальні (гранична частота f_макс до 1000 МГц) – 4; і т.д.

Надвисокочастотні діоди:

змішувальні – 1; детектор­ні – 2; параметричні – 4; регулюючі (перемикаючі, обмежувальні, модуляторні) – 5; помножувальні – 6; генератор­ні – 7.

Варікапи: підстроєчні - 1; помножувальні (вариктори) – 2.

Тунельні діоди; підсилюючі – 1; генераторні – 2; перемикаючі – 3; обернені діоди - 4.

Випромінюючі діоди:

інфрачервоного діапазону – 1; видимого діапазону (світлодіоди) із яскравістю не більше 500 кд/м² – З; із яскравістю більше 500 кд/м² – 4.

Четвертий і п’ятий елемент (цифрові) позначають порядкові номери розробки – від 01 до 99 (за виключенням стабілітронів і стабісторів). У стабілітронів, що мають напругу стабілізації від 1 до 9,9 В і від 10 до 99 В четвертий і п’ятий елемент позначають напругу стабілізації в вольтах, а у стабілітронів, що мають напругу стабілізації від 100 до 199 В – доповнення до 100 В. У стабілітронів, що мають напругу стабілізації менше 1 В, четвертий і п’ятий елемент позначають десяті і соті долі вольта.

Шостий елемент (буквений) позначає різновид даної групи приладів, відмінних одним або кількома параметрами, що не є класифікаційними. У стабілітронів и стабісторів шостий елемент вказує на послідовність розробки.

Випрямляючі діоди великої потужності (I_cеp > 10 A), які називаються силовими вентилями, мають маркування, що складається із чотирьох елементів.

Приступаючи до вивчення такого широкого класу приладів, необхідно спочатку ознайомитися з конструкцією приладу того або іншого типу, далі розглянути способи його включення в схему, принцип роботи, характеристики, параметри, можливості практичного застосування.