Учебное пособие для профессиональной подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию электрооборудования

• Название: Учебное пособие для профессиональной подготовки электромонтеров по ремонту и обслуживанию электрооборудования
• Дата: 01.04.2022
• Размер: 1.2 Mb.
• Имя файла: materialy.docx
• Тип: Учебное пособие; #434223
• страница: 3 из 7

Глава II

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ МАТЕРИАЛЫ
2.1. Основные характеристики и свойства полупроводников

Полупроводники занимают, по удельному сопротивлению, промежуточное положение между металлами и диэлектриками. В полупроводниковых материалах удельное электрическое сопротивление может изменяться вшироких пределах и, как правило, очень быстро убывает с повышением температуры.



Рис. 2. Зависимость удельного сопротивления ρ чистого полупроводника от абсолютной температуры T
Удельная проводимость полупроводников в сильной степени зависит от вида и количества содержащихся в них примесей и дефектов.Для них характерна чувствительность к свету, электрическому и магнитному полю, радиационному воздействию, давлению и др.

Полупроводники могут быть жидкими или твердыми, кристаллическими или аморфными.

По химической природе современные полупроводниковые материалы можно разделить на четыре главные группы:

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, построенные из атомов или молекул одного элемента. Такими материалами являются широко используемые в данное время германий, кремний, селен, бор, карбид кремния и др.

2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т. е. материалы из окислов металлов. Главные из них: закись меди, окись цинка, окись кадмия, двуокись титана, окись никеля и др. В эту же группу входят материалы, изготовляемые на основе титаната бария, стронция, цинка, и другие неорганические соединения с различными малыми добавками.

3. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева. Примерами таких материалов являются антимониды индия, галлия и алюминия, т. е. соединения сурьмы с индием, галлием и алюминием. Они получили наименование интерметаллических соединений.

4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы, селена и теллура с одной стороны и меди, кадмия и свинца с другой. Такие соединения называются соответственно: сульфидами, селенидами и теллуридами.

По кристаллической структуре все полупроводниковые материалы, могут быть, распределены на две группы.

Одни материалы изготовляются в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллов), из которых вырезают по определенным кристаллическим направлениям пластинки различных размеров для использования их в выпрямителях, усилителях, фотоэлементах.Такие материалы составляют группу монокристаллических полупроводников.

Наиболее распространенными монокристаллическими материалами являются германий и кремний. Разработаны методы изготовления монокристаллов и из карбида кремния, монокристаллы из интерметаллических соединений.

Другие полупроводниковые материалы представляют собой смесь множества малых кристалликов, беспорядочно спаянных друг с другом. Такие материалы называются поликристаллическими. Представителями поликристаллических полупроводниковых материалов являются селен и карбид кремния, а также материалы, изготовляемые из различных окислов методами керамической технологии.
2.2. Основныеполупроводниковые материалы

Германий (Ge) - элемент четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Германий имеет ярко-серебристый цвет. Температура плавления германия 937,2° С. В природе он встречается часто, но в весьма малых количествах. Основным источником получения германия является зола углей и отходы металлургических заводов.

Полученный в результате ряда химических операций слиток германия еще не представляет собой вещества, пригодного для изготовления из него полупроводниковых приборов. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена легирующая примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности.

Для очистки слитка от нерастворимых примесей широко применяется метод зонной плавки. Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно растворяются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве.

Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается на мелкие куски при ударах. Однако при помощи алмазной пилы или других устройств его можно распилить на тонкие пластинки.

Германий как полупроводниковый материал широко используется не только для диодов и транзисторов, из него изготовляются мощные выпрямители на большие токи, различные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких температур и др.

Кремний(Si) широко распространен в природе. Он, как и германий, является элементом четвертой группы системы элементов Менделеева и имеет такую же кристаллическую (кубическую) структуру. Полированный кремний приобретает металлический блеск стали.

Как и германий, кремний обладает хрупкостью. Его температура плавления значительно выше, чем у германия: 1423° С.



Рис. 3. Схематическая плоскостная модель части кристаллической решетки кремния или германия (а) и ее объемная структура (б)
Так как температура плавления кремния значительно выше, чем у германия, то тигель из графита заменяют кварцевым, так как графит при высокой температуре может реагировать с кремнием и образовывать карбид кремния. Кроме того, в расплавленный кремний могут попасть из графита загрязняющие примеси.

Кремний, как и германий, широко применяется для изготовления многочисленных полупроводниковых приборов. В кремниевом выпрямителе достигаются более высокие обратные напряжения и рабочая температура (130…180°С), чем в германиевых выпрямителях (80°С). Из кремния изготовляют точечные и плоскостные диоды и транзисторы, фотоэлементы и другие полупроводниковые приборы.

В качестве материала для изготовления нелинейных сопротивлений особенно широкое применение получил поликристаллический материал - карбид кремния.

Из карбида кремния(SiC) изготовляют вентильные разрядники для линий электропередачи — устройства, защищающие линию электропередачи от перенапряжений. В них диски из нелинейного полупроводника (карбида кремния) пропускают ток на землю под действием волн перенапряжений, возникающих в линии. В результате этого восстанавливается нормальная работа линии. При рабочем же напряжении линии сопротивления этих дисков возрастают и ток утечки с линии на землю прекращается.

Карбид кремния получают искусственно - путем тепловой обработки смеси кварцевого песка с углем при высокой температуре (2000°С).

В зависимости от введенных легирующих примесей образуются два основных вида карбида кремния: зеленый и черный. Они отличаются друг, от друга по типу электропроводности, а именно: зеленый карбид кремния обладает электропроводностью n-типа, а черный — электропроводностью р-типа.

При нормальном напряжении на линии передачи ток с линии вентиль не пропускает. При повышенных же напряжениях (перенапряжениях), создаваемых атмосферным электричеством, или внутренних перенапряжениях искровые промежутки пробиваются и диски вентиля окажутся под высоким напряжением.

Сопротивление их резко упадет, что обеспечит утечку тока с линии на землю. Прошедший большой ток снизит напряжение до нормального и в дисках вентиля сопротивление возрастет. Вентиль окажется запертым, т. е. рабочий ток линии им пропускаться не будет.

Карбид кремния находит еще применение в полупроводниковых выпрямителях, работающих при больших рабочих температурах (до 500°С).
2.3. Электропроводимость полупроводников

Каждый полупроводниковый материал обладает электронной и дырочной электропроводностями.

Под действием приложенногоэлектрического напряжения свободные электроны движутся от отрицательного к положительному полюсу источника тока, а дырки – внаправлении, противоположном движению электронов. Электрический ток в чистых полупроводниках обусловлен движением сравнительно небольшого количества электронов. Эта характерная особенность полупроводников объясняется тем, что валентные электроны атомов, изкоторых состоят полупроводники, связаны со своими атомами и немогут двигаться, т.е. не являются свободными.



Рис. 4. Парно-электронные связи в кристалле германия и образование электронно-дырочной пары
При температуре 20^°С,  в чистом полупроводнике отсутствуют носители электрического заряда. При повышении температуры некоторые ковалентные связи в кристаллической решетке разрушаются, что обусловлено температурными колебаниями атомов. При этом выделяются носители зарядов двух типов: отрицательные – электроны и положительные – дырки. Таким образом, при воздействии температуры в полупроводнике появляются носители электрических зарядов двух знаков.Соответственно удельное сопротивление чистых полупроводников уменьшается при нагревании.

Процесс образования новых носителей называется термогенерацией (рис. 5.). Но может случится так, что свободный электрон займёт место дырки, таким образом произойдёт – рекомбинация. При динамическом равновесии число возникающих носителей равно числу рекомбинирующих.

Полупроводники существенно отличаются от металлов, у которых удельноесопротивление увеличивается при нагревании.



Рис. 5. Генерация пар «свободный электрон – дырка» в результате разрушения ковалентной связи (а) и перемещение дырки в кристалле (б)
Кроме нагревания, разрыв ковалентной связи и возникновениесобственной проводимости полупроводников могут быть вызваны освещением (фотопроводимость полупроводников), а также действиемсильных электрических полей.

Когда кристаллический чистый полупроводник получает энергию, необходимую для разрыва ковалентных связей, и электрон уходит со своего места, электрическая нейтральность кристалла в этомместе нарушается. В том месте, откуда ушел электрон, возникнет избыточный положительный заряд – образуется положительная дырка.

Она ведет себя как заряд, равный по абсолютному значению зарядуэлектрона, но положительный по знаку. На освободившееся от электрона место – дырку – может переместиться соседний электрон, а эторавносильно тому, что переместилась положительная дырка: она появится в новом месте, откуда ушел электрон(рис. 5 б).

Примесной проводимостью полупроводников называется ихэлектропроводность, обусловленная внесением в их кристаллическиерешетки примесей. У чистых или собственных полупроводников концентрация электронов и дырок одинакова. Поэтому, электропроводимость собственного (беспримесного) полупроводника очень низка.

Чтобы превратить чистый полупроводник в примесный, необходимо ввести в его кристаллическую решетку некоторое количество специально подобранной химической добавки, т.е. осуществить легирование полупроводника. 

В таких полупроводниках электрическая проводимость осуществляется в основном за счет носителей зарядов одного знака – электронов или дырок. Для обеспечения электронной или дырочной проводимости, достаточно ввести один атом соответствующей примеси на 10⁸атомов собственного полупроводника. Атомы примеси в кристаллической решетке германия или кремния (4 группа таблицы Менделеева) обычно замещают часть основных атомов в узлах решетки. Результаты такого замещения зависят от материала примеси.

Существуют легирующие примеси двух видов: 

Доноры – пятивалентные элементы, такие как P, As, Sb (донор – дающий, жертвующий). Акцепторы – трехвалентные элементы, такие как B, Al, In, Ga (акцептор – принимающий, берущий).

На основании этого различают полупроводники n-типа и p-типа.

Для получения полупроводника n-типа (рис. 6.), в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесьдонора(фосфор, валентность - 5).


Рис. 6.Получение полупроводника n-типа, электронной проводимости
При этом четыре валентных электрона примеси образуют связи с четырьмя соседними атомами кремния. Пятый электрон примеси не участвует в образовании ковалентных связей, легко может быть оторван от своего атома и статьсвободным. Атом примеси, потерявший один электрон, становится неподвижным положительным ионом (рис. 8, б).

Свободные электроны примеси добавляются к свободным электронам полупроводника, вызванным термогенерацией, поэтому электропроводность полупроводника становится преимущественноэлектронной.

В этих условиях электроны становятся основныминосителями заряда, а дырки –неосновныминосителями.

Для получения полупроводникаp-типа (рис. 7.),в кристалл 4-х валентного кремния вводят примесьакцептора(валентность 3).



Рис. 7.Получение полупроводника n-типа, дырочной проводимости
При этомтривалентных электрона примеси образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов кремния. Одна из ковалентных связей остается незавершенной, образуя вакантное энергетическое состояние. Атому примеси для заполнения вакансии требуется дополнительный электрон для образования прочной восьмиэлектронной оболочки. Этот электрон отбирается от одного любого атома кремния. Атом примеси, отобравший электрон из ковалентной связи решетки полупроводника, становится неподвижнымотрицательным ионом (рис. 8, в.).

а)	б)	в)

Рис.8. Атомная структура полупроводников: а - чистый полупроводник;

б - электропроводность n-типа; в - электропроводность p-типа.
На том месте в основной решетке, откуда к атому примеси пришел электрон, образуетсядырка. Она добавляется к собственным дыркам полупроводника, вызванным термогенерацией, поэтому проводимость полупроводника становится преимущественнодырочной.

В этих условиях дырки являютсяосновныминосителями заряда, а электроны –неосновныминосителями.
2.4. Свойства полупроводникового диода

Полупроводниковый диод состоит из спая полупроводниковых материалов p- и n- типов, (рис.9,а).На границе двух полупроводников еще до подачи внешнего напряжения создаётся электрический слой (p-n-переход) с местным электрическим полем напряжённостью Е₀(рис. 9, б).

Упрощенно механизм односторонней проводимости диода можно объяснить следующим образом. В зависимости от полярности приложенного напряжения p-n-переход может либо способствовать - уменьшаясь (рис. 9, г), либо препятствовать – увеличиваясь (рис. 9, в) прохождению электрического тока.



Рис. 9. Свойстваp-n-перехода
Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Однако в реальных условиях в полупроводнике, кроме основных носителей электрических зарядов — электронов и дырок, образующихся при введении примесей, имеются, как было показано, и неосновные носители зарядов (их значительно меньше) электроны и дырки, образующиеся вследствие теплового движения атомов в кристалле. Часть этих электронов и дырок способна проходить (дрейфовать) через р-n-переход даже при обратной полярности приложенного к полупроводнику напряжения, создавая так называемый обратный ток, который, разумеется, несравнимо меньше прямого тока. Следовательно, р-n-переход полупроводника весьма определенно проявляет свойство односторонней проводимости, что дает возможность рас­сматривать кристалл в качестве вентиля.

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода(рис. 10.)показывает, что уже при сравнительно небольших прямых напряжениях сопротивление перехода падает, а прямой ток резко увеличивается.

У полупроводников обратные напряжения U_обрзначительно больше прямых U_пр, а обратные токи намного меньше прямых токов, однако при некотором возросшем значении обратного напряжения наступает явление пробоя р-n-перехода и обратный ток резко возрастает. В этом режиме напряжение на диоде изменяется очень мало, даже при изменении тока через прибор в весьма широких пределах, то есть полупроводник ведет себя как стабилитрон. Подобный режим, который будет аварийным для полупроводниковых выпрямителей, успешно используется в устройствах стабилизации напряжения.



Рис.10. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода
Итак, если через диод пропустить переменный ток, то диод будет пропускать только положительную полуволну, а отрицательная проходить не будет. Диод, таким образом, преобразует, или «выпрямляет», переменный ток в постоянный (рис. 11.).



Рис.11. Диаграммы напряжений и тока
Параметры, характеризующие наиболее практически значимые точки ВАХ, принято относить:

Прямой ток (Iпр.) — среднее значение тока через открытый диод, при котором обеспечивается надежный режим работы.

Прямое падение напряжения (Uпр.) - напряжение на диоде при прохождении прямого тока Iпр.

Обратный ток (Iобр.) — ток через диод при определенном обратном напряжении.

Максимальное обратное напряжения (Uобр.) — напряжение, соответствующее безопасной области работы, после превышения которого может произойти повреждение прибора.

Наиболее широкое распространение в последнее время получили кремниевые и, в меньшей мере, германиевые полупроводниковые диоды.

На рисунке 12можно видеть ВАХ полупроводниковых диодов, выполненных из разных материалов и разными методами (точечные - m, плоскостные - n);монокристаллические: германиевые - Ge, кремниевые - Si; поликристаллические: меднозакисные (купроксные) - Cu2O; селеновые - Se.



Рис.12. ВАХ полупроводниковых диодов из разных материалов