Электропроводность полупроводниковых материалов

Полупроводниковые приборы.

Полупроводниковые материалы (полупроводники) занимают по своим электрическим свойствам среднее положение между проводниками и изоляторами. ПП – материалов гораздо больше, чем проводников. К ним относятся германий, кремний, арсенид галлия, селен и др.

Для изготовления полупроводниковых приборов используют, в основном, германий, кремний, арсенид галлия.

Электропроводность полупроводников (ПП) сильно зависит от температуры – при понижении уменьшается, а при увеличении – увеличивается, а у проводников – наоборот, и при приближении к «абсолютному нулю» (-273⁰С) в проводниках наблюдается явления «сверх - проводимости».

ПП имеют кристаллическую структуру, атомы их располагаются в строго определенном порядке, а вокруг ядра каждого атома движутся по своим орбитам электроны и составляют так называемые «электронные оболочки», или уровни. На внешних оболочках может находиться до восьми электронов. Связь внешних электронов с атомом наиболее слабая, и при некоторых внешних воздействиях (повышенная температура, воздействие света и др.) электроны могут покидать свои орбиты и становятся «свободными». Атом, у которого с орбиты уходит электрон, приобретает положительный заряд, а нарушенная связь с другими атомами получила название «дырка».

Если к ПП приложить электрическое напряжение, то вблизи положительного полюса источника, свободные электроны уйдут во внешнюю цепь, а дальние будут двигаться к положительному полюсу и по пути встречаться с «дырками» и заполнять их. Это явление называют «рекомбинацией». Вблизи отрицательного полюса источника напряжения возрастает число «дырок», которые притягивают свободные электроны из внешней цепи, а в ПП возникает электрический ток, который называют собственным током полупроводника, который невелик по величине при комнатной температуре.

При добавлении в ПП небольшого количества атомов другого вещества (примеси) в нем количество свободных электронов резко возрастает, и электропроводность ПП резко увеличивается. В зависимости от структуры атомов примеси ПП можно сделать преимущественно электронной или дырочной проводимости (n – проводимости от слова «negativ» - отрицательный, р – проводимости от слова «positiv» - положительный).

Полупроводниковые диоды

Диоды – это электронные приборы, обладающие односторонней проводимостью электрического тока, т.е. они при одной полярности источника тока имеют малое электрическое сопротивление (прямое включение и диод «открыт»), а при обратной полярности – весьма большое сопротивление (обратное включение – диод «закрыт»).

Такое свойство полупроводниковых диодов получают путем сплавления полупроводниковых материалов с р – и n – проводимостью, в результате чего между этими областями создается электрический контакт, который называют «р- n - переход». На этом р- n – переходе получается «потенциальный барьер ∆φ препятствующий переходу электронов из n – области в р – область, и переходу «дырок» из р – области в n – область, поэтому заряды в ПП не могут комбинировать. В конструкциях ПП диодов к областям «р» и «n» припаивают металлические выводы для подключения к электрическим цепям.

Вывод со стороны р – области называют «анод» (по аналогии с ламповыми диодами), а со стороны n – области «катод».

На рис. 6.1 показаны схемы устройства ПП диода и подключения к нему источников питания.

Рис.6.1. Схемы устройства ПП диода и его условное обозначение

На рисунке обозначено: 1 – полупроводник; 2 – р – n – переход; 3 – электрический контакт; GB – батарея питания; ∆φ – потенциальный барьер; а – схема включения в прямом направлении; б – схема включения в обратном направлении; в – условное графическое обозначение на принципиальной схеме.

Электрические свойства диодов отображают на графиках в виде зависимостей силы тока через диод от приложенного напряжения к его электродам. Эти зависимости называют «вольт – амперными характеристиками» (ВАХ).

Вид ВАХ диода приведен на рис. 6.2. В правом квадранте показана прямая ветвь характеристики.

Рис.6.2. Вольт – амперные характеристики диода

На которой видно, что она нелинейная в области малых напряжений и что сила тока резко возрастает при напряжениях, приложенных в прямом направлении (диод «открыт»). Чтобы диод не вышел из строя последовательно с ним включают резистор, ограничивающий ток в прямом направлении.

В левом квадранте графика показана зависимость обратного тока от обратно приложенного напряжения. Здесь масштабы другие, чем для прямой ветви. Напряжения U_обр составляют десятки вольт, а сила тока – микроамперы, т.е. в тысячу раз меньше, чем в прямом направлении. Таким образом, обратная ветвь характеризует состояние диода в положении «закрыт», т.е. сопротивление диода в обратном направлении неизмеримо больше, чем в прямом, что и характеризует диод как прибор односторонней проводимости.

По конструкции диоды выполняют плоскостными, когда р – n – переход представляет значительную поверхность в полупроводника, и точечным, когда р – n – переход по площади очень мал (близок к «точке»). Первые применяют в низкочастотных цепях для выпрямления переменного тока низкой частоты в сетевых (вторичных) источниках питания. Вторые применяют в высокочастотных цепях, например для детектирования (выделения) полезных сигналов из модулированных колебаний высоких частот (в радиовещании, телевидении и др.), а также в элементах вычислительной техники, где требуется высокое быстродействие схем.

Основными параметрами диодов являются прямой ток и допустимое обратное напряжение.

Кроме выпрямительных диодов в радиоэлектронике применяют множество диодов специального назначения:

стабилитроны – для стабилизации напряжений на участках электрических цепей;

варикапы – которое изменяют свое сопротивление под действием приложенного напряжения, применяются в преобразователях постоянного и переменного тока и как подстроечные элементы в колебательных контурах радиоприемников;

вариконды – диоды с управляемой емкостью р – n – перехода для автоматической подстройки частоты колебаний генераторов электрических сигналов;

фотодиоды, чувствительные к световому потоку, применяются в схемах автоматики;

светодиоды, приборы, генерирующие световые излучение под действием приложенного напряжения, применяются как индикаторные устройства;

управляемые много переходные диоды – тиристоры, применяемые в схемах как бесконтактные переключатели, в схемах регулирования тока в нагрузке, как управляемые выпрямители, и многие другие.

Подробные сведения о диодах приводятся в каталогах и справочниках по радиоэлектронным компонентам РЭА.

Обозначение диодов состоит из шести элементов:

1- й – материал (Г – германий, К – кремний, соединения галлия – А);

2- й – под класс приборов (Д – диоды универсальные, Ц – выпрямительные блоки и мосты, А – диоды сверх высокочастотные, У – тиристоры триодные, С – стабилизаторные напряжение и т.п.);

3- й – мощность диодов (1 – малой мощности, 2 – средней мощности, универсальные до частоты 1000 МГц - Ч);

4- й и 5-й элементы – порядковый номер разработки;

6 – й – обозначает деление приборов на технологические группы и обозначается буквами русского алфавита от А до Я.

Пример обозначения: диод К215А – диод кремниевый (К), средней мощности, разработки №15, параметрическая группа «А».

Полупроводниковые триоды – транзисторы

Полупроводниковые триоды в отличие от диодов имеют три электрода и обладают усилительными свойствами аналогично ламповым триодам, у которых так же три электрода (анод, катод и управляющая сетка).

ПП триоды создавались для замены ламповых триодов, которые имеют недостатки, ограничивающие их применение в радиоэлектронной аппаратуре РЭА:

- ограниченный срок службы (200 – 300 часов из-за снижения эмиссии катода), что вынуждает применять разъемное соединение лампы со схемой РЭА;

- низкая надежность из-за разъема и сложной подвески электродов внутри баллона лампы;

- высокий расход энергии из-за необходимости разогрева катода (мощность на подогрев в десятки раз выше мощности полезного сигнала);

- трудности отвода тепла из – за горячих ламп;

- высокие напряжения на электродах (сотни вольт на аноде).

Не надежность ламповых триодов и пектодов особенно сильно проявилась при создании электронно-вычислительных машин (ЭВМ), где число ламп требуется тысячами.

Ученые видели возможность замены ламп полупроводниковым приборами, и работы их созданию велись во всех промышленных развитых странах. Большой вклад в теорию полупроводников внесли отечественные ученые (институт полупроводников им. акад. Иоффе, школа физиков под руководством акад. Ландау и др.).

Технически разработать конструкцию полупроводникового триода и изготовить на практике удалось американским ученым в 1948 г. (Д. Бардин, В. Браттайн, У. Шокли). Они назвали ПП триод словом «транзистор» от англ. слова «transerter» - преобразователь и «resistor» - сопротивление, т.е. этот прибор есть ничто иное, как управляемое электрическими сигналами сопротивление, с помощью которого можно усиливать эти сигналы во много раз.

Транзистор лишен недостатков электронной лампы, экономичен, надежен, срок службы его до 20….30 тысяч часов, не требуется его замена в РЭА, к тому же имеет низковольтные питание (от единиц до нескольких десятков вольт).

Транзистор изготавливают из пластинки полупроводникового материала, в котором созданы два р – n – перехода между тремя областями р –и n – проводимостями.

На рис. 6.3 схематически показано устройство транзистора и схема включения его в цепи источников питания.

Рис. 6.3. Схема устройства транзистора.

С реднюю область пластинки назвали «база», а крайние области – «эмиттер» и «Коллектор». Структура напоминает включение двух диодов: переход «эмиттер - база»включают в цепь источника питания Е_с в проводящем направлении, а переход «база-коллектор» в запирающем. Такое включение обеспечивает регулируемое включение сопротивлением между коллектором и эмиттером.

Источник Е_с (э.д.с. базового смещения) посылает поток электронов в цепь базы и создает ток коллектора i_k, который составляет до 99% тока эмиттера. Эту способность коллектора («собирателя» зарядов) оценивают «коэффициентом перехвата» h_21Б (в данном случае h_21Б = 0,99), и тогда

i_э = i_k + i_б

рассмотренный транзистор, у которого токи образуются двумя типами схема на рис. 6.3 показывает, что все три электрода присоединяются к общему проводу в «общей точке» схемы («о.т.»), поэтому если вывод базы соединяется с «общей точкой», то такая схема включения транзистора называется «схемой с общей базой» (ОБ).

На электрической принципиальной схеме транзистор изображают так, как показано на рис. 6.4. структура транзистора на рис. 6.3, когда область базы имеет проводимость n-типа, называется структурой n­p-n, а если область базы имеет проводимость n-типа, то транзистор имеет структуру p­n-p. В этой структуре подключение источников э.д.с. имеет противоположную полярность.

На принципиальной электрической схеме усилительные устройства изображают так, как показано на рис. 6.5 (схема включения транзистора с ОБ).

Рис. 6.5. Схема включения транзистора с ОБ.

На схеме показано: VT – транзистор; E_c – источник э.д.с. базового смещения; E_k – источник э.д.с. источника коллекторного питания; ~e – э.д.с. источника сигнала; R_k – резистор в цепи коллектора; ~U_вых – выходное усиленное напряжение.

Значком «» обозначена «общая точка» схемы (или корпус прибора).

Кроме схемы с ОБ применяют также схемы включения транзисторов с «общим эмиттером» (ОЭ) и «общим коллектором» (ОК) как показано на рис. 6.6.

Рис. 6.6. схемы включения транзисторов с ОЭ (а) и ОК (б).

В отличие от схемы с ОБ источники сигнала ~e включают в цепь базы, а эмиттер в схеме с ОК сопротивление нагрузки E_k присоединено к «общей точке» схемы.

Эффективность работы схемы с ОБ оценивают коэффициентом передачи тока базы «α», показывающим, во сколько раз амплитуда тока в выходной цепи больше тока во входной, т.е.

.

Для схемы с ОБ α < 1, для плоскостных транзисторов он равен 0,85…0,99, т.е. схема ОБ не дает усилия по току, зато усиление по напряжению

.

Усиление по мощности в этой схеме невелико, т.к. α < 1. схема с ОЭ дает значительное усиление, как по тону, так и по напряжению, а, следовательно, и оп мощности.

Коэффициент передачи тока обозначают буквой «β», который может составлять десятки и сотни единиц. Этот коэффициент можно вычислить по значению α, который легко измерить. В этом случае .

Так при α = 0,98, значение ,

т.е. усиление по току в схеме с ОЭ будет почти в 50 раз фаза выходного напряжения изменяется на 180° относительно входного. Схема с ОЭ находит самое широкое применение.

В схеме с ОК усиление по току больше единицы, а усиление по напряжению не превышает единицы, т.е. U_вых ≈ U_вх, т.е. выходное напряжение как бы повторяет входное по величине, а фаза его не изменяется, поэтому схема с ОК называется «эммитерный повторитель».

Достоинством ее является большое входное сопротивление и малое выходное, что позволяет удобно использовать ее для согласования с высокоомным источником сигнала и низкоомной нагрузкой.