книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

ГЛАВА III

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

Полупроводниковые приборы получили всеобщее признание и нашли широкое распространение.

Так, например, полупроводниковые приборы исполь­ зуются в радиоаппаратуре, электронно-вычислительных машинах, выпрямительных устройствах, холодильных установках, автоматике, телемеханике, измерительной технике для непосредственного преобразования атом­ ной, тепловой и световой энергии в электрическую энер­ гию (солнечные батареи, термогенераторы), электриче­ ской энергии в световую (полупроводниковые лазеры) и т. д.

Полупроводниковые приборы, обладая малыми веса­ ми, размерами, большим коэффициентом полезного дей­ ствия, высокой надежностью и механической прочно­ стью, широко используются при создании аппаратуры для космических кораблей, искусственных спутников Земли и ракет.

Широко применяются полупроводниковые приборы

ив самолетной радиоаппаратуре.

§1. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОВОДНИКОВ

1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Все вещества в зависимости от их способности про­ водить электрический ток можно условно разделить на три группы: проводники, полупроводники и диэлектрики.

Согласно электронной теории строения вещества все вещества состоят из атомов, связанных между собой силами электронного притяжения.

Атом любого вещества представляет собой положи­ тельно заряженное атомное ядро, вокруг которого по

дополнительную энергию, при которой их связь с ядра­ ми атомов нарушается, то они превращаются в свобод­ ные электроны, перемещающиеся в веществе. Валентные электроны могут получать необходимую для разрыва связей с ядром атома энергию в результате нагревания вещества или при воздействии на него внешнего элек­ трического поля, света и т. д.

Свободные электроны являются носителями электри­ ческого тока.

Способность вещества проводить электрический ток называется его электропроводностью.

В отсутствии внешнего электрического поля свобод­ ные электроны двигаются во всевозможных направле­ ниях, т. е. участвуют в хаотическом тепловом движении.

При наличии внешнего электрического поля свобод­ ные электроны, помимо хаотического движения, пере­

132

мещаются в определенном направлении, что и вызывает возникновение электрического тока.

В проводниках, которыми обычно являются металлы, валентные электроны могут свободно перемещаться, по­ этому проводники обладают высокой электропроводно­ стью.

Вдиэлектриках (изоляторах) валентные электроны прочно связаны с ядрами атомов. Следовательно, ди­ электрики не обладают электропроводностью.

Вполупроводниках электроны связаны с ядрами атомов сильнее, чем в проводниках, но все же гораздо слабее, чем в диэлектриках, поэтому электропровод­ ность их во много раз меньше электропроводности про­ водников.

2. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ЧИСТЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Электропроводность полупроводников отличается от электропроводности проводников. Так, например, элек­ тропроводность полупроводников возрастает под дей­ ствием тепла, света и при введении примесей других веществ. Кроме того, электропроводность полупроводни­ ков может быть не только электронной, но и д ы р о ч ­ ной, обозначаемой буквой р. Эти и некоторые другие электрические свойства полупроводников обусловли­ вают возможность создания полупроводниковых при­ боров.

Рассмотрим электропроводность германия, который, как и кремний, широко используется при изготовлении полупроводниковых приборов.

Германий (как и кремний) имеет кристаллическое строение. Согласно теории кристаллического строения вещества атомы германия образуют кристаллическую решетку, в которой связи между атомами осуществля­ ются валентными электронами.

Германий имеет четыре валентных электрона. Для образования связей каждый атом отдает по одному электрону четырем соседним атомам. Таким образом,

133

между двумя соседними атомами связь осуществляется двумя электронами. Связь атомов германия в кристал­ лической решетке можно условно представить в плоско­ сти чертежа, на котором атомы изображены в виде круж­ ков, а связи — в виде двух черточек (рис. III.2),

г

Как и все полупроводники, германий имеет элек­ тронную п и дырочную р проводимость. Суть дырочной проводимости заключается в следующем. В результате внешнего воздействия (например, теплового) нейтраль­ ный атом полупроводника может потерять один валент­ ный электрон (отрицательный заряд). При этом нару­ шается одна из связей между атомами, а сам атом ста­ новится положительным ионом. На месте электрона связи, ставшего свободным электроном, образуется «дыр­ ка». Следовательно, «дырка» характеризуется состоя­ нием атома, потерявшего один валентный электрон свя­ зи, а процесс образования «дырок» является процессом ионизации. Если какой-нибудь свободный электрон (от­ рицательный заряд), движущийся в кристаллической решетке германия, сближается с «дыркой» (положитель­ ным ионом), то он может быть к ней притянут и запол­ нит «дырку». Положительный ион вновь станет ней­ тральным атомом, а нарушенная связь восстановится. Процесс соединения электрона с «дыркой» носит назва­ ние процесса рекомбинации.

Процессы ионизации и рекомбинации протекают в полупроводнике непрерывно и прекращаются лишь то­ гда, когда внешнее воздействие на полупроводник будет снято (например, понизится температура) и полупровод­ ник превратится в изолятор. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно количеству «дырок».

134

Таким образом, в полупроводнике одновременно с образованием свободных электронов образуются «дыр­ ки», которые в связи с процессами ионизации и реком­

решетки и перемещаться не могут). Следовательно, ды­ рочная проводимость полупроводника может рассма­ триваться как способность положительных зарядов «дырок» являться носителями электрического тока. На­ правление движения «дырок» при прохождении электри­ ческого тока через полупроводники противоположно направлению движения электронов.

3. ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ, СОДЕРЖАЩИХ ПРИМЕСИ

Если в чистый германий ввести небольшое количество другого вещества — примеси, то германий может приоб­ рести ярко выраженную электронную проводимость или, наоборот, ярко выраженную дырочную проводимость.

Например, при введении в чистый германий неболь­ шого количества мышьяка проводимость германия воз­ растет- и будет носить электронный характер. Это объ­ ясняется тем, что атом мышьяка имеет пять валентных электронов, а в образовании связей между атомами гер­ мания и мышьяка участвуют по четыре валентных элек­ трона от каждого атома (рис. III.3, а). Пятый электрон

Рис. ІІІ.З. Схема связи атомов гер­ мания с атомами примесей:

135

в связях не задействован, и для отрыва его от атома требуется очень небольшая дополнительная энергия. Та­ кую энергию электрон получает даже при невысоких температурах вещества и обращается в свободный элек­ трон, повышая электронную проводимость германия. В результате отделения пятого электрона атом примеси становится положительным ионом, но «дырки» не обра­ зуются, так как связи между. атомами не нарушены. Следовательно, германий с данной примесью будет иметь свободных электронов больше, чем «дырок», т. е. проводимость его будет электронной.

Полупроводники, в которых преобладает электронная проводимость, называются электронными полупроводни­ ками (полупроводниками п-типа). Основными носителя­ ми тока в полупроводниках п-типа являются электроны. Примеси, создающие в полупроводнике электронную проводимость, называются д о н о р н ы м и .

Если в чистый германий ввести в качестве примеси индий, то получим германий, обладающий дырочной проводимостью. Образование дырочной проводимости объясняется следующим образом. Атом индия имеет три валентных электрона, а в образовании связей между атомами германия и индия должно участвовать по че­ тыре валентных электрона от каждого атома. Одна связь остается незаполненной, и образуется «дырка» (рис. III.3,6). Германий с данной примесью будет иметь «дырок» больше, чем электронов, т. е. проводи­ мость его будет дырочной.

Полупроводники, в которых преобладает дырочная проводимость, называются дырочными полупроводни­ ками (полупроводниками р-типа). Основными носите­ лями тока в полупроводнике p-типа являются «дырки». Примеси, создающие в полупроводнике дырочную про­ водимость, называются а к ц е п т о'р н ы м и.

Очевидно, что количество носителей тока в полупро­ воднике (электронов и «дырок»), а следовательно, и его электропроводность зависят от количества при­ месей.

Если в чистый германий внести донорную и акцеп­ торную примеси и получить германий с двумя областя­ ми, обладающими различными типами проводимости, го на границе этих областей образуется так называемый

136

главным образом на использовании особых свойств электронно-дырочных переходов.

4. СВОЙСТВА ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОГО ПЕРЕХОДА

Рассмотрим физические явления, происходящие в электронно-дырочном переходе (рис. ПІ.4, а). Электро­ ны и «дырки» в обеих областях находятся в хаотиче­ ском тепловом движении, однако они будут стремиться переместиться в том направлении, в котором умень­ шается концентрация зарядов одного знака. Следова­ тельно, основные носители тока я-области, электроны, будут стремиться переместиться в p-область, в которой электронов (неосновных носителей тока p-области) го­ раздо меньше и, наоборот, «дырки», основные носители тока р-О'бласти, будут стремиться переместиться в я-об- ласть, где «дырок» (неосновных носителей тока в я-об­ ласти) значительно меньше. Такой процесс перемещения

ются положительные или отрицательные ионы примесей, жестко связанные с кристаллической решеткой. Таким образом, у границы областей образуются два объемных противоположных по знаку неподвижных заряда, обра­ зующих р-п переход, или так называемый запорный слой (рис. 111.4, б). Электрическое поле (рис. III.4, в), образованное этими зарядами, будет препятствовать прохождению основных носителей тока через переход. Только отдельные основные носители тока (электроны и «дырки»), обладающие большой энергией, смогут пре­ одолеть тормозящее действие поля и пройти через пере­ ход (рис. ІП.4, а). Однако такой переход основных носи­ телей в соседнюю область приведет к появлению допол­ нительных ионов, т. е. к усилению электрического поля, а следовательно, и к еще большему ухудшению усло­ вий перехода основных носителей из одной области в другую. Для неосновных носителей тока электрическое поле перехода является не тормозящим, а ускоряю­ щим.

137

Основные носители тока (заряды), движущиеся че­ рез переход против сил электрического поля за счет соб­

гии поля, образуют ток проводимости, также протекаю­ щий через переход (рис. III.4, г).

В рассмотренном изолированном полупроводнике (германии) диффузионный ток и ток проводимости равны по величине и противоположны по направлению, поэтому общий ток через переход равен нулю.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в том же кристалле германия, имеющем р-п переход, при подключении к нему источника постоянного тока.

Если подключить источник тока так, чтобы создавае­ мое им электрическое поле усиливало действие внутрен­ него поля р-п перехода, то количество зарядов, способ­ ных преодолеть силы противодействия этого суммарного поля, будет меньше и ток диффузии уменьшится. Уже при напряжении порядка 1 в ток диффузии прекратится и через переход потечет только ток проводимости, обус­ ловленный наличием неосновных носителей тока. Так как количество неосновных носителей тока в кристалле германия в сотни тысяч раз меньше количества основ­ ных носителей тока, то этот ток очень мал (рис. III.5, а). Следовательно, при включении источника тока плюсом к п-области и минусом к /7-области р-п переход будет обладать низкой электропроводностью, т. е. представ­ ляет очень большое сопротивление.

Если изменить полярность источника тока на обрат­ ную, то внешнее поле источника будет ослаблять дей­ ствие внутреннего поля р-п, перехода. Ток диффузии резко возрастет и будет превосходить ток проводимо­ сти во много раз. Следовательно, при включении источ­ ника тока плюсом к p-области и минусом к «-области р-п переход обладает хорошей электропроводностью и представляет очень малое сопротивление для тока внеш­ него источника (рис. III.5, б). Таким образом, элек­ тронно-дырочный переход (р-п переход) хорошо про­ водит ток в одном направлении и плохо в дру­ гом, т. е, обладает односторонней электропровод­ ностью.

139