1.6.1. Общие сведения о полупроводниковых приборах

Полупроводниковые приборы по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками. В полупроводниковой электронике наибольшее применение получили элементы 4 группы таблицы Д. И. Менделеева – кремний Si, германий Ge. К полупроводникам относятся многие окислы металлов, например оксид цинка, закись меди.

Проводимость, осуществляемая за счет движения электронов, называется электронной проводимостью. Такие полупроводники называют полупроводниками n типа - отрицательными, а полупроводниками р типа – положительными.

Проводимость, осуществляемая за счет движения дырок, - дырочная проводимость. Основным элементом полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход, или р-n переход.

Электронно-дырочным переходом (рис. 1.22) называется область раздела двух частей полупроводника с различным типом проводимости. Электронно-дырочные переходы получают методами диффузии или вплавливания соответствующих примесей пластины монокристаллического полупроводника n и р типа. В пластине полупроводника образуется две области. В области р концентрация дырок намного больше, чем в n области, где они являются не основными. Для n области, наоборот, концентрация электронов намного больше, чем в р области, где они будут являться не основными.

Вследствие разности концентрации носителей зарядов происходит перенос основных носителей через переход: дырки из р области переходят в n область, а электроны их n области диффундируют в р область. На некотором удалении от перехода происходит рекомбинация дырок и электронов. Вблизи перехода в полупроводнике n типа наблюдается избыток положительных зарядов, образованных неподвижными положительными ионами доноров, а в полупроводнике р типа - избыток отрицательных зарядов, образованных неподвижными отрицательными ионами акцепторов.

р n

Рис. 1.22. Электронно-дырочный переход

В результате вблизи перехода возникает пространственный заряд ионов, создающий электрическое поле на переходе и вызывающий появление потенциального барьера, который препятствует дальнейшему протеканию основных носителей после достижения состояния равновесия. При таком состоянии n область заряжена положительно относительно р области. Образованный в переходе запирающий слой делает невозможным протекание основных носителей зарядов и в то же время не препятствует протеканию через переход в противоположном направлении не основных носителей, т.е. дырок из n в р области и электронов из р в n области.

p-n-переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой. На рис. 1.23 изображена энергетическая диаграмма p-n-перехода.

а б в

Рис. 1.23. Энергетическая диаграмма p-n-перехода: а) состояние равновесия;

б) при приложенном прямом напряжении; в) при приложенном обратном напряжении

а б в

е		г		д
		ж з		и

Рис. 1.24. Диоды: а) четыре диода и диодный мост; б) цветные светодиоды;

в) полупроводниковый диод в стеклянном корпусе; г) светодиод ультрафиолетового спектра

излучения; д) светодиодная лампа; е) фотодиод; ж) ФД-10-100 активная площадь-10х10 мм²; з) ФД1604 (активная площадь ячейки 1,2х4мм2 –16шт); и) стабилитрон 0,5 Вт

Полупроводниковые диоды (рис. 1.24, 1.25). Это – электронный прибор, состоящий из одного электронно-дырочного перехода, обладающий различной проводимостью в зависимости от направления электрического тока. Электрод диода, подключаемый к положительному полюсу источника тока, когда диод открыт (то есть имеет маленькое сопротивление), называют анодом, подключаемый к отрицательному полюсу – катодом.

Диоды делятся на выпрямительные, детекторные, модуляторные, импульсные и др. Например, в выпрямительных диодах применяют плоскостные р-n-переходы, изготавливаемые сплавным или диффузным методами. Плоскостные диоды, используемые в аппаратуре связи и сигнализации пожарной охраны, способны выпрямлять токи от десятых долей до десятков А.

Принцип работы диода основан на свойстве односторонней проводимости. Электронно-дырочный переход способен пропускать ток в одном направлении, что дает возможность использовать его для преобразования переменного тока в постоянный в выпрямительных устройствах.

Диоды бывают электровакуумными (кенотроны), газонаполненными (газотроны, игнитроны, стабилитроны), полупроводниковыми и др. В настоящее время в подавляющем большинстве случаев применяются полупроводниковые диоды.

Фотодиод (ФД) – приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную область свет в электрический заряд за счёт процессов в p-n-переходе. Фотодиод может работать в двух режимах: фотогальваническом – без внешнего напряжения и фотодиодном - с внешним обратным напряжением.

а б в г

д е ж з

Рис. 1.25. Обозначения диодов на схемах (по ГОСТ 2.730-73):

а) выпрямительный полупроводниковый диод, б) светодиод; в) фотодиод;

г) обычный стабилитрон; д) двуханодный стабилитрон; е) тиристор; ж) варикап;

з) обратное напряжение на диоде

Стабилитрон - это полупроводниковый диод, напряжение на котором слабо зависит от величины протекающего через него тока. Стабилитроны применяются для стабилизации питающих напряжений в цепях постоянного тока. Полупроводниковый стабилитрон изготавливается на основе кремния. Рабочее напряжение зависит от электрофизических свойств материала и технологии его обработки. Стабилитроны получили широкое распространение в качестве источников опорного напряжения в усилителях, радиостанциях, цифровых электронных устройствах и др. электронной аппаратуре.

Тиристор – это управляемый диод, применяемый для использования в качестве бесконтактного быстродействующего коммутирующего элемента, выполненный на основе монокристалла полупроводника с тремя или более p-n-переходами и имеющий два устойчивых состояния: закрытое состояние, то есть состояние низкой проводимости, и открытое состояние, то есть состояние высокой проводимости. Наиболее часто тиристоры применяются в устройствах электропитания (выпрямителях, преобразователях напряжения), в системах электронного зажигания автомобилей, электрических регуляторах и т. д.

Транзистор (рис. 1.26) – это полупроводниковый диод с двумя взаимо­действующими р-n-переходами, предназначенный для усиления генерации или преобразования электрических колебаний. Транзистор представляет собой полупроводниковый монокристалл, в котором две крайние области с однотипной проводимостью разделены областью противоположной проводимости n-р-n или n-р-n-типа. Крайняя левая область полученной структуры называется эмиттером, средняя - базой, а крайняя правая - коллектором. Эмиттер транзистора служит для инжекции зарядов в базу. База управляет потоком зарядов, инжектируемых эмиттером. Коллектор собирает в свою цепь заряды, инжектируемые эмиттером в базу.

Транзисторы характеризуются следующими основными параметрами: коэффициентом передачи тока; максимальной частотой генерации; предельно допустимым напряжением; выходной мощностью.

а	p-n-p канал p-типа n-p-n канал n-типа Биполярные Полевые в
б

Рис. 1.26. Транзисторы: а) дискретные транзисторы в различном конструктивном

оформлении, б) копия первого в мире работающего транзистора;

в) обозначение транзисторов разных типов. Условные обозначения: Э – эмиттер,

К – коллектор, Б – база; З – затвор, И – исток, С – сток

В 1947 году в лабораториях Bell Labs впервые создали действующий биполярный транзистор. Позднее транзисторы заменили вакуумные лампы в большинстве электронных устройств, совершив революцию в создании интегральных схем и компьютеров.

Варикап - полупроводниковый диод, работа которого основана на зависимости барьерной ёмкости p-n-перехода от обратного напряжения (рис. 1.25, з).

Варикапы применяются в качестве элементов с электрически управляемой ёмкостью в схемах перестройки частоты колебательного контура, деления и умножения частоты, частотной модуляции, управляемых фазовращателей и др.

Стабистор (ранее нормистор) - полупроводниковый диод, в котором для стабилизации напряжения используется прямая ветвь вольт-амперной характеристики (то есть в области прямого смещения напряжение на стабисторе слабо зависит от тока). Последовательное соединение двух или трёх стабисторов даёт возможность получить удвоенное или утроенное значение напряжения стабилизации. Некоторые типы стабисторов представляют собой единый набор с последовательным соединением отдельных элементов.

pin-диод (рис. 1.27) - разновидность диода, в котором между областями электронной (n) и дырочной (p) проводимости находится собственный (нелегированный, англ. intrinsic) полупроводник (i-область). p и n области, как правило, легируются сильно, так как они часто используются для омического контакта с металлом. Широкая нелегированная i-область делает pin-диод плохим выпрямителем (обычное применение для диода), но, с другой стороны, это позволяет использовать его в аттенюаторах (ослабителях сигнала), быстрых переключателях, фотодетекторах, а также в высоковольтной электронике. Как правило, pin-диод предназначен для работы в сантиметровом диапазоне волн.

Рис. 1.27. Функциональная структура pin-диода