Виды и структура полупроводников

ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОТЕХНИКИ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Лекция

ТЕМА № 9 «Диоды и диодные схемы»

 

 

Краснодар

План лекции

 

1. Принцип образования p-n перехода. Вольтамперная характеристика диода 3

2. Схемы выпрямителей на диодах. 15

3. Стабилитрон и его применения для стабилизации напряжения. 21

4. Диодные ограничители. 23

 

Литература:

Новожилов О.П. Электротехника и электроника 2-е изд., испр. и доп. Учебник для бакалавров. – М.: ЮРАЙТ, 2013. – 635 с.

 

 

УЧЕБНО-МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ

 

Оборудование классов.

Слайды.

LCD-проектор

 

 

Принцип образования p-n перехода. Вольтамперная характеристика диода

Виды и структура полупроводников

Все вещества по их способности проводить электрический ток можно разделить на проводники, полупроводники и изоляторы.

К полупроводникам принято относить вещества, занимающие по величине удельной электрической проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Большинство веществ относится именно к полупроводникам, для которых характерен очень широкий диапазон удельной электрической проводимости, значение которой в сильной степени зависит от температуры и концентрации примесей.

В соответствии с так называемой зонной теорией твердого тела энергетические уровни объединяются в зоны. Распределение электронов по уровням изображают схематически, так как это показано на рис. 4.1.

У металлов зона проводимости (ЗП) непосредственно примыкает к валентной зоне (ВЗ), которая заполняется электронами внешней оболочки атома. Валентные электроны участвуют в электрических и химических процессах. Зону проводимости заполняют электроны, обладающие высокой энергией, называемые электронами проводимости.

Для диэлектриков (рис. 4.1, б) характерна иная энергетическая структура. В них между валентной зоной и зоной проводимости существует запрещенная зона (ЗЗ), соответствующая уровням энергии, на которых электроны находиться не могут. Ширина запрещенной зоны составляет несколько электрон-вольт (эВ). При Т=300°К у диэлектриков в зоне проводимости имеется небольшое число электронов, поэтому диэлектрик обладает ничтожно малой проводимостью. При нагревании (­Т°) электроны валентной зоны, получая добавочную энергию, переходят в зону проводимости, и тогда диэлектрик приобретает заметную проводимость.

Рис. 4.1. Распределение электронов по энергетическим уровням

У полупроводников (рис. 4.1, в) зонная диаграмма подобна диэлектрикам, но ширина запрещенной зоны меньше, чем у диэлектриков, и в большинстве случаев составляет около электрон-вольта. Поэтому при низких температурах полупроводники являются диэлектриками, а при нормальной температуре (Т=300° К) значительное число электронов может переходить из валентной зоны в зону проводимости, преодолевая при этом энергетический барьер.

В природе существует много веществ, относящихся к полупроводникам, но в электронике находят применение лишь ограниченное число их. В настоящее время основу для изготовления полупроводниковых приборов составляют германий (Ge), кремний (Si), арсенид галия (GaAs), а Бор (В), фосфор (Р), мышьяк (As), индий (In), галий (Ga) используются в качестве примесей.

Полупроводник, имеющий в узлах кристаллической решетки только свой атом, называют собственным полупроводником. В кристаллической решетке четырехвалентного полупроводника, каковыми являются германий (Ge) и кремний (Si), каждый атом связан с четырьмя соседними атомами с помощью двух валентных, по одному от каждого атома. Условно, такой вид связи, показан на рис. 4.2.

Рис. 4.2. Ковалентные связи в атоме полупроводника

Таким образом, полупроводники, так же как и металлы обладают электронной проводимостью.

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней возникает свободное место (не занятый электроном энергетический уровень), обладающее положительным зарядом, равным по абсолютному значению заряду электрона. Графическая интерпретация этого свойства условно показана на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Электронная проводимость полупроводника

Такое освободившееся в ковалентной связи место называется дыркой, а процесс образования пары электрон-дырка – генерацией. В дырку может «перескочить» валентный электрон из заполненной ковалентной связи соседнего атома. В результате ковалентная связь в одном атоме восстановится, (этот процесс называется рекомбинацией), а в соседнем разрушится, образуя в нем дырку. Такое перемещение дырки по кристаллу равносильно перемещению положительного заряда.

Таким образом, полупроводники обладают также дырочной проводимостью, которая не наблюдается в металлах.

Электропроводность полупроводников наиболее правильно может быть объяснена их энергетической структурой, которая условно показана на рис. 4.4. При температуре абсолютный нуль полупроводник, не содержащий примеси, является диэлектриком, т.е. в нем нет электронов и дырок проводимости. Однако при повышении температуры электропроводность полупроводников возрастает, т.к. электроны валентной зоны получают при нагреве дополнительную энергию и за счет этого все большее число электронов преодолевает запрещенную зону и переходит из валентной зоны в зону проводимости.

 

Рис. 4.4. Процесс генерации и рекомбинации

Электроны и дырки, которые могут перемещаться, называют подвижными носителями заряда. Вследствие того, что электроны и дырки проводимости совершают хаотическое тепловое движение, обязательно происходит процесс, обратный генерации пар носителей. Электроны проводимости снова занимают свободные места в валентной зоне, т.е. объединяются с дырками. Это процесс –рекомбинация носителей заряда.

Процессы генерации и рекомбинации происходят одновременно. Рекомбинация ограничивает возрастание числа пар носителей зарядов и при каждой данной температуре устанавливается определенное число электронов и дырок проводимости, т.е. они находятся в состоянии динамического равновесия.

Процесс генерации – рекомбинации носителей зарядов в полупроводнике имеет вероятностный характер и описывается статистикой Ферми-Дирака.

Таким образом, полупроводники без примесей называются собственными полупроводниками. Они обладают собственной электропроводностью, которая складывается из электронной и дырочной проводимости.