Полупроводниковые приборы

Основной элемент современных полупроводниковых приборов — это p-n переход. Рассмотрим кратко некоторые типы полупроводниковых приборов на p-n переходе.

1. Выпрямительный диод. Несимметричность вольтамперной характеристики p-n перехода позволяет использовать его для выпрямление переменного тока. Кремниевые диоды работоспособны до температуры ~200 ºС, позволяют выпрямлять напряжения до 600 В при силе тока до 10³ A и используются в силовой электротехнике, полностью вытеснив менее надежные выпрямители других типов. В радиотехнике используются «точечные» диоды с малой собственной емкостью, которые дают возможность выпрямлять высокочастотные напряжения (n ~ 10⁵…10⁶ Гц).

Рис. 33.13 Рис. 33.14

2. Стабилитроны. В этих приборах, предназначенных для стабилизации напряжения питания радиоцепей, используется независимость силы дрейфового тока от значения приложенного напряжения, что позволяет получать постоянные (стабилизированные) напряжения до 10...20 В.

3. Туннельный диод. В туннельном диоде в полупроводники p- и n-типов вводится значительная концентрация примесных атомов, так что их дискретные энергетические уровни расщепляются, образуя зоны, которые перекрываются с валентной зоной и зоной проводимости (рис. 33.13). При этом область p-n перехода становится очень тонкой (~ 1...5 нм), что позволяет электронам переходить через нее по механизму туннельного эффекта. Вольтамперная характеристика туннельного диода показана на рис. 33.14. Видно, что в области положительных напряжений одному значению силы тока соответствуют три значения напряжения (U₁, U₂, U₃), причем значения U₁ и U₃ соответствуют устойчивому состоянию, а U₂ — неустойчивому. Время перехода туннельного диода из одного устойчивого состояния в другое составляет ~ 10^‑9 с, что позволяет применять его в быстродействующих вычислительных машинах.

4. Использование p-n перехода для измерения температуры и проведения аналогового логарифмирования сигналов. Согласно формуле (33.6) сила тока, протекающего через диод в пропускном направлении, зависит от температуры, что дает возможность использовать его для измерения температуры подобно термисторам. Экспоненциальная зависимость между силой тока и напряжением обусловливает также осуществление логарифмирования электрических сигналов, что используется, например, при расширении пределов измерения приборов.

5. Фотоэлемент на p-n переходе. При попадании кванта света на p-n переход электрон из валентной зоны может быть переведен в зону проводимости, при этом в валентной зоне образуется дырка. Образовавшаяся электронно-дырочная пара растягивается полем контактной разности потенциалов и дырка попадает в полупроводник p-типа, а электрон — в полупроводник n-типа (рис. 33.15). Далее электроны и дырки, двигаясь по внешней цепи, создают электрический ток.

Рис. 33.15

Фотоэлемент такого типа преобразует световую энергию в электрическую и в настоящее время используется в космической технике. В настоящее время самыми удачными оказались кремневые фотоэлементы, КПД которых достигает 10-12 %. Вполне реальное значение КПД фотоэлементов на p-n переходе составляет 15-20 %.

6. Фотодиод. Полупроводниковый фотоэлемент с p-n переходом, обратный ток которого изменяется под действием светового излучения, называют фотодиодом. Фотодиод включаю в цепь с нагрузочным сопротивлением и батареей, обеспечивающей запирающее направление. При попадании света на p-n переход в цепи возникает электрический ток. Зависимость силы фототока от светового потока линейна. Инерционность фотодиода ~10^-5 с. Основное преимущество фотодиода (по сравнению, например, с фотоэлементами на внешнем фотоэффекте) — малые габаритные размеры и высокая прочность.

7. Светодиод. У некоторых полупроводников при пропускании через p-n переход тока в пропускном направлении при рекомбинации электронно-дырочной пары энергия может выделяться в виде фотонов. Светодиоды в настоящее время широко используются как сигнальные источники света и в устройствах для индикации информации. При определенных условиях светодиод может генерировать когерентное электромагнитное излучение, т.е. такой прибор служит полупроводниковым лазером (см. п. 34.3).

8. Транзистор. Чрезвычайно широкое распространение получили полупроводниковые устройства с двумя p-n переходами — кристаллические триоды или транзисторы.

Рис. 33.16

Рассмотрим схему транзистора (рис. 33.16). Транзистор состоит из области с проводимостью n-типа — эмиттера (Э), узкой полоски полупроводника p-типа — базы (Б) и снова области с электронной проводимостью — коллектора (К). К транзистору подключены две батареи: в цепь эмиттер — база в пропускном направлении включена батарея с малой ЭДС (e₁ ~ 0,1 В), а в цепь база — коллектор подключена в запирающем направлении батарея с ЭДС (e₂ ~ 5…10 В).

На рис. 33.17 показан ход потенциальной энергии электронов в случае, когда источники e₁ и e₂ отключены (верхняя кривая). При подключении источников потенциальный барьер на границе эмиттер — база понижается, а на границе база — коллектор увеличивается (нижняя кривая). В результате электроны легко переходят p-n переход эмиттер-база в область базы, становясь там неосновными носителями тока. Поскольку геометрическая ширина базы мала, значительная часть электронов диффундирует сквозь базу и проходит через второй p-n переход в коллектор. Самое главное заключается в том, что при прохождении электронами p-n перехода база-коллектор они ускоряются за счет значительной разности потенциалов, созданной на этом переходе батареей e₂. Сила тока в цепи коллектора Iк близка к силе тока в цепи эмиттера Iэ, но поскольку сопротивление первого p-n перехода значительно меньше, чем второго (Rэб<<Rбк), то и напряжение на втором p-n переходе будет большим. Таким образом транзистор при такой схеме включения (схема с общей базой) усиливает сигнал по напряжению и, соответственно, по мощности. Коэффициент усиления современных транзисторов K~10⁴. Они очень экономичны (в смысле малого потребления энергии), характеризуются малыми габаритными размерами, что позволило им почти полностью вытеснить электронные лампы.