Сторінка 1 з 2
Перш за все пояснимо саме поняття - напівпровідник. Нам знайомі вже матеріали,
різко відрізняються один від одного по провідності: мідь (як провідник з досить незначним електричним опором), вугілля або високоомний провід (як матеріал для виготовлення резисторів) і різні пластмаси (як ізоляційний матеріал, що володіє дуже високим електричним опором). Напівпровідник займає місце між провідником і ізолятором (діелектриком). У деяких умовах він веде себе як провідник, при інших обставинах - як діелектрик. Чим же це пояснюється? Вихідним матеріалом для напівпровідникових діодів служать германій (Ge) і кремній (Si). З курсів фізики та хімії нам знайоме будова атома. Ми знаємо, що атом складається з позитивно зарядженого ядра і негативно заряджених електронів, що обертаються навколо ядра по стабільним орбітах. Електронна оболонка атома германію складається з 32 електронів, чотири з яких обертаються по його зовнішній орбіті.
Саме ці чотири електрона, звані валентними, істотно визначають його властивості. Атом германію прагне придбати стійку структуру, властиву атомам інертних газів і яка справляє враження, що на зовнішній їх орбіті перебуває завжди чітко визначена кількість електронів (наприклад, 2, 8, 18 і т. Д.). Таким чином, для придбання подібної структури атома германію треба було б прийняти на зовнішню орбіту ще чотири електрона. Практично це здійснюється за рахунок того, що кожен валентний електрон об'єднується в електронну пару з валентним електроном сусіднього атома. Орбіта кожного з валентних електронів стає загальною для двох сусідніх атомів, а самі атоми германію набувають стійку структуру, характерну для атомів інертних газів. Зв'язки, що виникають при цьому в кристалі германію, називають парно-електронними або ковалентними.
Нас в основному цікавлять електричні властивості напівпровідників. Як видно з малюнка, всі електрони на зовнішніх орбітах атомів пов'язані зі своїми ядрами; вільних електронів немає. Такий кристал поводиться електрично як ізолятор (діелектрик). Під впливом навколишньої температури атоми у вузлах кристалічної решітки будуть коливатися щодо положення спокою. В силу різних обставин окремі електрони час від часу можуть відриватися від "свого" атома і вільно переміщатися в кристалі. У тому місці, звідки пішов валентний електрон і де, отже, тепер бракує негативного заряду, утворюється позитивний просторовий заряд, іменований діркою. Така дірка може бути заповнена електроном з зовнішньої орбіти сусіднього атома, в результаті чого цей атом також набуває позитивний заряд. Так естафетному порядком дірка може хаотично переміщатися по всьому кристалу. Есл до кристала прикласти електричну напругу, то вільні електрони потечуть до позитивного полюса, а дірки (в такій же кількості) - до негативного. Для нас важливо знати, що електрична провідність напівпровідника в рівній мірі визначається як електронами (носіями негативного заряду), так і дірками (носіями позитивного заряду). З ростом температури власна провідність кристала (електрична провідність бездомішкового речовини) все більше зростає. При низьких температурах германій поводиться як діелектрик, при високих - як електричний провідник.
Однак на електропровідність напівпровідника можна впливати і іншим шляхом. В вузли кристалічної решітки впроваджують в якості домішкових сторонні атоми (цей процес носить назву легування), що мають п'ять або три валентних електрони, Домішки з трьома валентними електронами називають акцепторами, з п'ятьма - донорами. Але ж для утворення ковалентних зв'язків потрібні, як зазначалося вище, чотири валентних електрони. Тому в залежності від типу домішок в кристалі утворюються або додаткові електрони провідності, або дірки, число і рухливість яких вже при кімнатній температурі досить значні. Донорной домішкою, наприклад для германію може бути пятивалентного сурма. Атом донорної домішки утворює за допомогою чотирьох електронів ковалентні зв'язки з чотирма сусідніми атомами напівпровідника п'ятий електрон атома домішки йде і стає вільним. Акцепторна домішка, наприклад індій, навпаки відриває від атомів напівпровідника електрони і приєднує до себе. В результаті утворюється величезна кількість дірок.
Таким чином, електрична провідність напівпровідника в результаті легування істотно зростає. Напівпровідник з надлишковими електронами провідності називають напівпровідником n-типу, з надлишковими дірками полупроводником р-типу. Електрична провідність р-типу визначається дірками, тому їх називають тут основними носіями заряду, а електрони провідності - неосновними. У напівпровіднику n-типу - навпаки.
Розглянемо, які фізичні процеси відбуваються при контакті двох напівпровідників з різним типом провідності, або, як кажуть, в р-n-переході. Отриманий напівпровідниковий прилад називається напівпровідниковим діодом.
При контакті плоских шлифов р- і n-напівпровідника утворюється граничний шар, в якому носії негативного і позитивного зарядів роблять взаємний вплив один на одного. Внаслідок дифузії носіїв заряду в n-області виникає позитивний, а в p-області - негативний просторовий заряд. Різниця потенціалів між n і p-областями носить назву контактної різниці потенціалів (у германію
При зміні полярності прикладеної напруги, основні носії починають відсмоктувати з контактного шару. Виникає високий потенційний бар'єр, подолати який основні носії практично не в змозі (високий електричний опір). Перехід виявляється включеним в запірному напрямку. До неосновним носіям (електрони провідності в p-області і дірки в n-області) сказане не відноситься. Їх проходженню через граничний шар прикладена напруга не перешкоджає. Виникає струм неосновних носіїв, називаний зворотним струмом. Оскільки концентрація неосновних носіїв значно нижче, ніж основних, зворотний струм істотно менше прямого. Тому кажуть, що p-n-перехід володіє випрямляючих ефектом.
У тонкому шарі, що утворюється на кордоні двох напівпровідників з різними типами електропровідності, містяться іонізовані нерухомі атоми домішки і майже немає рухомих носіїв зарядів - електронів і дірок. Внаслідок цього такий шар має властивості діелектрика, і ЕДП (електронно-дірковий перехід) можна розглядати як плоский конденсатор, обкладками якого є нейтральні р- і n-області. Якщо до р- і n-областях докласти зворотна напруга, товщина р-n-переходу і відстань між «пластинами» конденсатора збільшаться, а його ємність зменшиться.
Ця ємність р-n-переходу отримала назву зарядної, або бар'єрної, так як її наявність обумовлена існуванням позитивних і негативних зарядів, або потенційного бар'єру на кордоні р- і n-областей. Бар'єрна ємність виникає в основному при зворотних напругах на р-n-переході.
Ємнісні властивості р-n-переходу використовуються в напівпровідникових діодах, званих варикапами. У варикапах величину зарядної ємності змінюють шляхом зміни прикладеного до нього зворотної напруги.
За конструкцією напівпровідникові діоди можуть бути площинними або точковими.
До металевої підстави, званого крісталлодержателя, припаивается пластинка напівпровідника n-типу. Зверху в неї вплавляется крапля тривалентного металу, зазвичай індію. Атоми індію дифундують (проникають) в напівпровідникову пластинку і утворюють у її поверхні шар р-типу. Між шарами р- і n-типів утворюється ЕДП (електронно-дірковий перехід). До крісталлодержателю і Індію привариваются провідники, які служать висновками діода. Для запобігання діода від механічних пошкоджень, попадання на напівпровідник світла, пилу і вологи його поміщають в герметичний корпус.
Точковий напівпровідниковий діод складається з пластинки напівпровідника n-типу і загостреною пружинки з вольфраму або фосфористої бронзи діаметром близько 0,1 мм. Через притиснуту до напівпровідникової платівці пружинку пропускають електричний струм великої сили, в результаті чого металева пружинка зварюється з напівпровідникової платівкою, утворюючи під своїм вістрям р-область. Між р-областю і напівпровідником n-типу виникає електронно-дірковий перехід.
Чим більше площа ЕДП, тим більший струм може через нього протікати і тим більше його ємність. Тому площинні напівпровідникові діоди застосовуються в електричних ланцюгах, в яких протікають великі струми і коли ємнісні властивості не мають помітного впливу на роботу діода .У ланцюгах струмів високих частот площинні діоди не матимуть односторонній провідності. Точкові діоди застосовуються в ланцюгах з малими струмами і в високочастотних пристроях, коли потрібні малі ємності ЕДП.
Зображують напівпровідникові діоди на електричних схемах у вигляді трикутника і відрізка, проведеного через одну з його вершин паралельно протилежній стороні. Залежно від призначення діода його позначення може містити додаткові символи. У будь-якому випадку гостра вершина трикутника вказує на напрямок протікання прямого струму через діод. Трикутник відповідає р-області і називається іноді анодом, або емітером, а прямолінійний відрізок - n-області і називається катодом, або базою.
Будемо збільшувати пряму напругу на діоді і помічати величини струмів. За отриманими даними побудуємо графік залежності прямого струму від прямої напруги. Розглянемо цей графік.
Спочатку прямий струм наростає повільно т. К. В початковий момент електричне поле батареї збільшується від нуля, а електричне поле p-n-переходу зменшується. Коли напруга батареї стане рівним напрузі p-n-переходу (для германію 0,25В) електричні поля стануть рівними і протилежно спрямованими, результуюче поле дорівнює нулю. З цього моменту пряма характеристика стає лінійної.
Тепер змінимо полярність підключення батареї. Будемо збільшувати зворотна напруга помічаючи величини струмів побудуємо графік залежності зворотного струму від зворотного напруги. Розглянемо його.
Зворотний струм дуже малий і майже не залежить від величини зворотної напруги т. К. Він утворений дрейфовим струмом т. Е. Неосновними носіями зарядів. Але при якомусь певному напруженні зворотний струм різко зростає. Це явище називається електричним пробоєм. Пояснюється це тим, що електрони набувають велику швидкість і б'ючи про атоми вибивають з них електрони. Електричний пробій безпечний, якщо напруга зменшити діод залишиться справним. Якщо ж продовжувати збільшувати напругу то електричний пробій переходить в тепловий пробій. Це означає що діод нагрівається і струм різко збільшується за рахунок відходу електронів зі своїх атомів від підвищення температури.Тепловой пробою руйнує напівпровідник, діод несправний.