Акцепторные полупроводники получаются при добавлении в полупроводник элементов, которые легко "отбирают" электрон у атомов полупроводника. Например, если к четырехвалентному кремнию (или германию) добавить трехвалентный индий, то последний использует свои три валентных электрона для создания трех валентных связей в кристаллической решетке, а четвертая связь окажется без электрона. Электрон из соседней связи может перейти на это пустое место, и тогда в кристалле получится дырка
( рисунок 18). В таком случае в кристалле образуется избыток дырок. Не следует забывать и об образовании пар электрон - дырка, как это
42 рассматривалось в случае беспримесного полупроводника, однако вероятность этого процесса при комнатных температурах достаточно мала. Дырки в акцепторном полупроводнике принято называть основными носителями, а электроны - неосновными.
Рисунок 18. Схема электронных состояний акцепторного полупроводника
1 – зона проводимости
2 – акцепторный уровень
3 – запрещенная зона
4 – валентная зона
На языке зонной теории переход электрона из полноценной ковалентной связи в связь с недостающим электроном соответствует появлению в запрещенной зоне акцепторных уровней вблизи нижнего края зоны проводимости ( рисунок 18). Электрону для такого перехода из валентной зоны на акцепторный уровень (при этом электрон просто переходит из одной ковалентной связи в почти такую же другую связь) требуется меньше энергии, чем для перехода из валентной зоны в зону проводимости ( рисунок 18), то есть для "полного ухода" электрона из ковалентной связи.
Вопросы для самоконтроля
1.
Энергетические зоны в веществе?
2.
Проводимость в беспримесном полупроводник?
3.
Создание донорной проводимости?
43 4.
Создание акцепторной проводимости?
5.
Основные и неосновные носители заряда?
Полупроводниковый p-n-переход
Полупроводниковым
p-n-переходом называют
тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного
и донорного типов ( рисунок 19). Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.
Рисунок 19. Распределение зарядов в области p-n- перехода
В результате теплового хаотического движения одна из дырок из левой области n-типа может попасть в правую область p-типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд (смотри рисунок 19). Аналогично, в результате теплового движения один из электронов из левой области может попасть в правую, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. В результате этого в правой области
44 также появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд.
Появление этих зарядов приведет к появлению электрического поля E на границе областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки p- области от границы раздела полупроводников, а электроны n-области - вправо от этой границы. С электрическим полем E можно связать потенциальную энергию дырки и электрона в областях (смотри рисунок 19). Получается, что дырка для перехода из p-области в n-область должна "забраться" на потенциальный порог высоты E. На аналогичный порог должен "забраться" электрон для перехода из n-области в p-область.
Если к pn переходу приложить внешнюю разность потенциалов E- внешнее, как это показано на рис. 20 (а) (это - так называемое прямое включение p-n перехода) , то внешнее поле E-внеш. уменьшит существующее в кристалле поле E-внутр, (так как не совпадает по направлению с внутренним), высота порогов на рисунке 20б уменьшится, тогда ток основных носителей возрастет.
Рисунок 20. Потенциальные пороги вблизи p-n-перехода при прямом
включении внешнего напряжения на нем
45
Рисунок 21. Потенциальные пороги вблизи p-n-перехода при обратном
включении внешнего напряжения на нем
Вопросы для самоконтроля
1.
Как возникает потенциальный барьер на границе двух полупроводников разного типа проводимостей?
2.
Как выглядит потенциальный барьер при прямом включении внешнего поля?
3.
Что происходит с потенциальным барьером при обратном включении?
46
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ
Полупроводниковый диод – это полупроводниковый прибор (устройство) с двумя выводами, в котором используются свойства р-n-перехода.
Рисунок 22. Внешний вид диодов и диодного блока
По назначению полупроводниковые диоды можно кратко классифицировать:
выпрямительные;
стабилитроны;
туннельные;
варикапы. Диоды, которые под действием обратного напряжения уменьшают ёмкость p-n-перехода в пределах десятков ПФ.
47
Выпрямительные диоды
Выпрямительный полупроводниковый диод – это полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования переменного тока, полярность которого меняется в течении периода колебаний (синусоида) в ток одной полярности.
В основе работы выпрямительных диодов лежит свойство односторонней проводимости р-n-перехода, которое заключается в том, что последний хорошо проводит ток (имеет малое сопротивление) при прямом включении и практически не проводит ток (имеет очень высокое сопротивление) при обратном включении. Напомним, что работа всех полупроводниковых приборов зависит от их температуры.
На рисунке 23 приведена типичная характеристика диода. Она называется
«Вольт-Амперной Характеристикой» или сокращённо ВАХ и показывает как меняется ток (Ампер) через диод при изменении напряжения на нем (Вольт).
Следует обратить внимание, что масштабы на полуосях как аргумента, так и функции разные, что при анализе линейных зависимостей недопустимо.
50
-200
-600 0,4 50
U,В
I,
мА
+20 С
0
мкА
Д211
(Кремний)
б)
+125 С
0
+20 С
0
+125 С
0
I,
Рисунок 23 Вольт-амперные характеристики диода
Первая четверть соответствует прямому включению p-n-перехода, а третья – обратному. Сильное увеличение силы прямого тока при малых изменениях напряжения (малое сопротивление диода) приводит к тому, что диод сильно нагревается проходящим током и может разрушиться от высокой
48 температуры. Это не восстановимое разрушение и называется «Тепловой пробой».
При обратном включении обратный ток даже при очень больших напряжениях изменяется очень мало до определённого предела значения обратного напряжения, после которого происходит резкое увеличения обратного тока. Это наступает «Электрический пробой», не разрушающий p-n- перехода. После снятия напряжения диод восстанавливается и может работать дальше. Это явление используется для стабилизации напряжения при изменении силы тока.
На рисунке 24 приведена схема элементарного выпрямителя и временные диаграммы процессов, протекающих в нем. Условное обозначение диода похоже на стрелочку. Направление стрелки показывает направление прямого тока (или плюсовой вывод диода)
VD
U
д
U
R
e
Rн
- ( + )
+(-)
+
- е
i,u
R
u
Д
t t
t
Е
m
I
max
Е
m б)
а)
Рисунок 24. Схема однополупериодного выпрямителя Когда ЭДС источника имеет положительную полуволну, диод включается в
прямом направлении и имеет малое сопротивление, следовательно, суммарное сопротивление цепи составляет в основном сопротивление нагрузки, оно же и определяет по закону Ома значение проходящего тока. При отрицательной полуволне источника диод включается в обратном направлении, общее сопротивление цепи резко возрастает и ток практически отсутствует.
Таким образом, в нагрузке появляется пульсирующий ток, но
одной полярности. Его нельзя назвать постоянным, но так как он одной полярности, его можно назвать «выпрямленным». Пульсацию можно сгладить разными фильтрами.
49
Стабилитроны
Полупроводниковый стабилитрон – это полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения.
В полупроводниковых стабилитронах используется свойство незначительного изменения обратного напряжения на р-n переходе при электрическом (лавинном или туннельном) пробое. Это связано с тем, что небольшое увеличение напряжения на р-n переходе в режиме электрического пробоя вызывает более интенсивную генерацию носителей заряда и значительное увеличение обратного тока.
VD
VD
- Несимметричный стабилитрон
- Симметричный стабилитрон
Рисунок 25. Вольтамперная характеристика стабилитрона
Из рисунка видно, что значительное изменение обратного тока через диод приводит к незначительному изменению обратного напряжения.
Далее на рисунке 26 представлена простейшая схема стабилизатора напряжения на нагрузке:
50
E
R
огр
R
н
U
ст
-
+
VD
U
ст
U
обр,
В
I
ст min
I
обр
, мА
I
ст max
Т
5 10 5
10 15
б)
а)
Рисунок 26. Принципиальная схема параметрического стабилизатора напряжения По первому закону Кирхгофа ток в ограничивающем сопротивлении R
огр представляет собой сумму токов в стабилитроне и в резисторе нагрузки.
Стабилитрон (как диод) включен к источнику в обратном направлении и параллельно нагрузке. По свойству параллельно соединённых элементов, напряжение на нагрузке будет равно напряжению на стабилитроне, которое меняется незначительно, пропуская через себя возросший ток из-за возросшего питающего напряжения.
Туннельные диоды Туннельный диод – это полупроводниковый диод, в котором туннельный эффект приводит к появлению на вольт - амперной характеристике при прямом напряжении участка с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Туннельный диод изготовляется из германия или арсенида
галлия с очень большой концентрацией примесей, т.е. с очень малым удельным сопротивлением. Такие полупроводники с малым сопротивлением называют вырожденными. Это позволяет получить очень узкий р-n переход. В таких переходах возникают условия для относительно свободного туннельного прохождения электронов через потенциальный барьер (туннельный эффект).
Туннельный эффект состоит в том, что при достаточно малой высоте потенциального барьера возможно проникновение электронов через барьер без изменения их энергии.
51 0,1 0,2 4
2
-0,1
U
пр,
В
U
обр,
В
-2
I
пр,
мА
I
в
U
рр
U
в
U
п
I
п
VD
I
пр
U
пр
I
обр,
мА
Рисунок 27. Вольтамперная характеристика туннельного диода
На участке характеристики, где аргумент от значения U
п
– напряжение пика увеличивается до значения U
в
– напряжение впадины, на этом же участке сила тока уменьшается, то есть дифференциальное сопротивление (смотри ниже «нелинейные цепи») отрицательное (рисунок 27).
Туннельные диоды используются для генерации и усиления электромагнитных колебаний, а также в быстродействующих переключающих и импульсных схемах.
Фотодиоды
Рисунок 28.
Внешний вид фотодиодов
Фотодио д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе (рисунок 28). Полупроводниковый фотодиод – это полупроводниковый диод, обратный ток которого зависит от освещенности.
Фотодиод может работать в двух режимах:
52
фотогальванический — без внешнего источника энергии (в этом режиме получается высокая чувствительность к свету).
фотодиодный — с внешним обратным напряжением
Обычно в качестве фотодиода используют полупроводниковые диоды с p-n переходом, который смещен в обратном направлении внешним источником питания - фотодиодный режим (
рисунок 29а).
1 – кристалл полупроводника, 2 – контакты, 3 – выводы, Е – источник постоянного тока, Rн - нагрузка Рисунок 29. Схема включения в фотодиодном режиме При поглощении квантов света в p-n переходе или в прилегающих к нему областях образуются новые носители заряда. Неосновные носители заряда, возникшие в областях, прилегающих к p-n переходу на расстоянии, не
превышающей диффузионной длины, диффундируют в p-n переход и проходят через него под действием электрического поля. То есть обратный ток при освещении возрастает. Поглощение квантов непосредственно в p-n переходе приводит к аналогичным результатам. Величина, на которую возрастает обратный ток под действием света, называется фототоком.
Свойства фотодиода можно охарактеризовать следующими характеристиками. а) вольт-амперная характеристика фотодиода представляет собой зависимость светового тока при неизменном световом потоке и темнового тока
I
темн от напряжения. б) световая характеристика фотодиода, то есть зависимость фототока от освещенности, соответствует прямой пропорциональности фототока от освещенности. г) спектральная характеристика фотодиода – это зависимость фототока от длины волны падающего света на фотодиод.
53 д) постоянная времени – это время, в течение которого фототок фотодиода изменяется после освещения или после затемнения фотодиода в «е»
раз (63%) по отношению к установившемуся значению после освещения. е) темновое сопротивление – сопротивление фотодиода в отсутствие освещения (в фотодиодном режиме). ж) интегральная (общая) чувствительность
Ф
I
K
Ф
, где
Ф
I
– фототок,
Ф
– поток электромагнитного излучения.
Известно несколько типов фотодиодов.
p-i-n фотодиод
В p-i-n структуре средняя i-область заключена между двумя областями противоположной проводимости. При достаточно большом напряжении оно пронизывает i-область, и свободные носители, появившееся за счет фотонов при облучении, ускоряются электрическим полем p-n переходов. Это дает выигрыш в быстродействии и чувствительности (используются в СВЧ технике).
Эти фотодиоды имеют недостаток - сложность получения высокой чистоты i- области.
Фотодиод Шотки (фотодиод с барьером Шотки).
Структура металл-полупроводник. При образовании структуры часть электронов перейдет из металла в полупроводник n -типа.
Лавинный фотодиод
В структуре используется лавинный пробой. Он возникает тогда, когда энергия фотоносителей превышает энергию образования электронно-дырочных пар. Лавинные фотодиоды за счет лавинного пробоя обладают очень высокой чувствительностью к обнаружению лучистого потока.
54
Светодиоды Рисунок 30. Светодиоды и их условное обозначение на схемах Светодиод или светоизлучающий диод (СД, СИД, LED англ
Light-emitting diode) —излучает некогерентный свет при пропускании через него электрического тока. Излучаемый свет лежит в узком диапазоне спектра, его цветовые характеристики зависят от химического состава, использованного в нем полупроводника (рисунок 30). Как и в любом полупроводниковом диоде, в светодиоде имеется p-n-переход. При пропускании электрического тока
в прямом направлении, носители заряда — электроны и дырки —
рекомбинируют с излучением фотонов (из-за перехода электронов с одного энергетического уровня на другой).
Не всякие полупроводниковые материалы эффективно испускают свет при рекомбинации. Лучшие излучатели относятся к полупроводникам, в которых разрешены
прямые оптические переходы зона-зона, например, GaAs или InP, ZnSe или CdTe. Варьируя состав полупроводников, можно создавать светодиоды для всевозможных длин волн от ультрафиолета (GaN) до среднего инфракрасного диапазона (PbS).
По сравнению с другими электрическими источниками света
(преобразователями электроэнергии в электромагнитное излучение видимого диапазона), светодиоды имеют следующие отличия:
Высокий КПД. Современные светодиоды уступают по этому параметру только люминесцентной лампе с холодным катодом.
Высокая механическая прочность, вибростойкость (отсутствие спирали и иных чувствительных к вибрациям составляющих).
55
Специфический спектральный состав излучения. Спектр довольно узкий.
В настоящее время уже созданы мощные светодиоды, способные работать в качестве осветительных устройств.
Заключение по теме полупроводниковые диоды
Полупроводниковый диод это электронное устройство, использующее в своей работе свойства p-n перехода. Широко применяются диоды как отдельные устройства или как диодные матрицы (сборки), а в состав микросхем практически не входят.
Вопросы для самоконтроля
1.
Как работает выпрямительный диод?
2.
Какую часть ВАХ использует стабилитрон?
3.
За счет чего получается стабилизация напряжения на нагрузке( параметрический стабилизатор)?
4.
Что такое туннельный диод? Что такое отрицательное дифференциальное сопротивление?
5.
Гальванический режим работы ФД?
6.
Светодиод. Принцип возникновения излучения?
ТРАНЗИСТОРЫ
Транзистором называется управляемый преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трех выводов, предназначенный для усиления мощности электрического сигнала. Под термином «сигнал» следует понимать возникающую разность потенциалов, то есть напряжение. Мощность электрического сигнала (в самом простом определении) это произведение силы тока на напряжение.
56
Биполярные транзисторы Рисунок 31. Внешний вид корпусных транзисторов Принцип действия и способы применения транзисторов существенно зависят от их типа и внутренней структуры (рисунок 31).
Транзисторы по внутренней структуре принято делить на:
биполярные, в которых ток создаётся двумя типами носителей – положительно заряженными дырками и отрицательно заряженными электронами (две полярности); эти транзисторы управляются током;
полевые, в которых ток создаётся только основными носителями
(это могут быть или электроны либо дырки) и управляются транзисторы электрическим полем.
Скачать 3.2 Mb.