У сучасній електронній техніці напівпровідникові прилади грають виняткову роль. За останні три десятиліття вони майже повністю витіснили електровакуумні прилади. У будь-якому напівпровідниковому приладі є один або кілька електронно-доручених переходів.
Електронно-дірковий перехід (або n-p-перехід) - це межа зіткнення двох напівпровідників з різними типами провідності.
У напівпровіднику n-типу основними носіями вільного заряду є електрони; їх концентрація значно перевищує концентрацію дірок (nn >> np). У напівпровіднику p-типу основними носіями є дірки (np >> nn). При контакті двох напівпровідників n - і p-типу починається процес дифузії: дірки з p-області переходять в n -область, а електрони, навпаки, з n-області в p -область. В результаті в n-області поблизу зони контакту зменшується концентрація електронів і виникає позитивно заряджений шар. В p-області зменшується концентрація дірок і виникає негативно заряджений шар. Таким чином, на кордоні напівпровідників утворюється подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів і дірок назустріч один одному.
Замикаючий шар -етопогранічная область розділу напівпровідників з різними типами провідності.
Замикаючий шар зазвичай досягає товщини порядку десятків і сотень міжатомних відстаней. Об'ємні заряди цього шару створюють між p - і n-області замикає напруга Uз. приблизно рівне 0,35 В для германієвих n -p -переходів і 0,6 В для кремнієвих.
n -p-перехід має властивість односторонньої провідності.
Якщо напівпровідник з n -p-переходу підключений до джерела струму так, що позитивний полюс джерела з'єднаний з n-області. а негативний - з p-області, то напруженість поля в замикаючому шарі зростає. Дірки в p-області і електрони в n-області будуть зміщуватися від n -p-переходу, збільшуючи тим самим концентрації неосновних носіїв в замикаючому шарі. Струм через n -p-перехід практично не йде. Напруга, подану на n -p-перехід в цьому випадку називають зворотним. Вельми незначний зворотний струм обумовлений тільки власноюпровідність напівпровідникових матеріалів, тобто наявністю невеликій концентрації вільних електронів в p-області і дірок в n-області.
Есліn -p-перехід з'єднати з джерелом так, щоб позитивний полюс джерела був з'єднаний з p-області. а негативний з n-області, то напруженість електричного поля в замикаючому шарі буде зменшуватися, що полегшує перехід основних носіїв через контактний шар. Дірки з p-області і електрони з n-області, рухаючись назустріч один одному, будуть перетинати n -p-перехід, створюючи струм в прямому напрямі. Сила струму через n -p-перехід в цьому випадку буде зростати при збільшенні напруги джерела.
Здатність n -p-переходу пропускати струм практично тільки в одному напрямку використовується в приладах, які називаються напівпровідниковими діодами.
Напівпровідниковими діодами -називають напівпровідникові прилади з одним n-p-переходом.
Напівпровідникові діоди виготовляються з кристалів кремнію або германію. При їх виготовленні в кристал c будь-яким типом провідності вплавляют домішка, що забезпечує інший тип провідності.
Типова вольт-амперна характеристика кремнієвого діода наведена на малюнку.
Вольт-амперна характеристика кремнієвого діода.
На графіку використані різні шкали для позитивних і негативних напруг.
Напівпровідникові діоди володіють багатьма перевагами в порівнянні з вакуумними діодами - малі розміри, тривалий термін служби, механічна міцність. Істотним недоліком напівпровідникових діодів є залежність їх параметрів від температури. Кремнієві діоди, наприклад, можуть задовільно працювати тільки в діапозоні температур від -70 ° C до 80 ° C. У германієвих діодів діапазон робочих температур дещо ширше.
Напівпровідникові діоди іспользуютсяв випрямлячах для перетворення змінного струму в постійний.
Транзисторами -називають напівпровідникові прилади з двома n-p-переходами.
Зазвичай для створення транзисторів використовують германій і кремній. Транзистори бувають двох типів: p -n -p -транзістори і n -p -n -транзістори.
1. p -n -p -транзістори. Германієвого транзистор p - n - p-типу являє собою невелику пластинку з германію з донорной домішкою, тобто з напівпровідника n-типу. У цій платівці створюються дві області з акцепторною домішкою, тобто області з доречнийпровідністю.
Транзистор структури p - n - p.
Платівку транзистора називають базою (Б), одну з областей з протилежним типом провідності - колектором (К), а другу - емітером (Е). Зазвичай обсяг колектора перевищує обсяг емітера. В умовних позначеннях різних структур стрілка емітера показує напрямок струму через транзистор.
- n -p -n -транзістори. У транзисторі n - p - n-типу основна германієвої платівка має провідність p-типу, а створені на ній дві області - провідність n-типу.
Транзистор структури n - p - n.
Обидва n - p-переходу транзистора з'єднуються з двома джерелами струму. На рис. 5 показано включення в ланцюг транзистора p - n - p -Структури. Перехід «емітер-база» включається в прямому (пропускному) напрямку (ланцюг емітера), а перехід «колектор-база» - в замикаючому напрямку (ланцюг колектора).
Поки ланцюг емітера розімкнути, струм в ланцюзі колектора дуже малий, так як для основних носіїв вільного заряду - електронів в базі і дірок в колекторі - перехід замкнений.
При замиканні ланцюга емітера дірки - основні носії заряду в емітер - переходять з нього в базу, створюючи в цьому ланцюзі струм емітера Iе. Але для дірок, які потрапили в базу з емітера, n -p-перехід в ланцюзі колектора відкритий. Велика частина дірок захоплюється полем цього переходу і проникає в колектор, створюючи струм колектора Ік. Для того, щоб струм колектора був практично дорівнює току емітера, базу транзистора роблять у вигляді дуже тонкого шару. При зміні струму в ланцюзі емітера змінюється сила струму і в ланцюзі колектора.
Якщо в ланцюг емітера включений джерело змінної напруги (рис. 5), то на резисторі R. включеному в ланцюг колектора, також виникає змінна напруга, амплітуда якого може у багато разів перевищувати амплітуду вхідного сигналу. Отже, транзистор виконує роль підсилювача змінної напруги.
Однак, така схема підсилювача на транзисторі є неефективною, так як в ній відсутня посилення сигналу по струму, і через джерела вхідного сигналу протікає весь струм емітера Iе. У реальних схемах підсилювачів на транзисторах джерело змінної напруги включають так, щоб через нього протікав тільки невеликий струм бази Іб = Iе - Ік. Малі зміни струму бази викликають значні зміни струму колектора. Посилення по струму в таких схемах може становити кілька сотень.
Застосування напівпровідникових приладів.
У напівпровідників яскраво виражена залежність електропровідності від тем-ператури: чим вище температура напівпровідника, тим краще він проводить струм. Прилади, засновані на цьому ефекті, називаються термосопротивлений або термісторами. Термістори знайшли величезну застосування в техніці, медицині та сільському господарстві. Вони використовуються для вимірювання температури в различ-них машинах і агрегатах, усюди, де необхідно підтримувати постійну температуру і пов'язані з нею фізичні величини. За допомогою термісторів визначають температуру ґрунту на різній глибині. Чутливі термістори можна вводити безпосередньо в кровоносну судину. Чутливість цих приладів настільки велика, що на їх основі виготовляють приймачі променистої енергії, звані болометр.
В даний час напівпровідникові прилади знаходять широке застосування в радіоелектроніці, так як обла-дають поруч цінних якостей: великим терміном служби, малими габаритами, високою механічною міцністю і незначним споживанням енергії.
Сучасна технологія дозволяє виробляти напівпровідникові прилади - діоди, транзистори, напівпровідникові фотоприймачі і т. Д. - розміром в кілька мікрометрів.
Застосування напівпровідників зробило революцію в радіотехніці. Ра-діодеталі стали настільки мініатюрними, що з'явилася можливість изго-товлять друкарським способом так звані микромодули. Мікромодулі представляють собою тонкі листочки, на яких надруковані діоди, тріоди, опору, індукційні котушки і інші елементи радіосхем. Викорис-чаплі різні комбінації мікромодулів, можна виготовляти радиоустройства з наперед заданими параметрами.
Якісно новим етапом електронної техніки стало розвиток мікроелектроніки. яка займається розробкою інтегральних мікросхем і принципів їх застосування.
Інтегральною мікросхемойназивают сукупність великого числа взаємопов'язаних елементів - надмалих діодів, транзисторів, конденсаторів, резисторів, сполучних проводів, виготовлених в єдиному технологічному процесі на одному кристалі.
Мікросхема розміром в 1 см 2 може містити кілька сотень тисяч мікроелементів.
Застосування мікросхем призвело до революційних змін у багатьох областях сучасної електронної техніки. Це особливо яскраво проявилося в галузі електронної обчислювальної техніки. На зміну громіздким ЕОМ, що містить десятки тисяч електронних ламп і займав цілі будівлі, прийшли персональні комп'ютери.
Напівпровідники набувають все більшого значення, збагачуючи фізику, хімію, біологію та інші науки. Дослідження напівпровідників ще не завершено, і сьогодні неможливо в повній мірі перед-сказати розвиток фізики напівпровідників