Фізичні основи роботи напівпровідникових приладів

↑

▷ Содержание

⇐ ПредыдущаяСтр 6 из 17Следующая ⇒

1.2.1 Провідники, напівпровідники та діелектрики.

Електропровідність напівпровідників

Напівпровідники (НП) належать до класу речовин, що мають тверду кристалічну структуру і за провідністю займають проміжне місце між провідниками та діелектриками.

До напівпровідникових матеріалів належать: кремній Si (має робочу температуру до 140 ⁰С), германійGe (найбільша робоча температура 75 ⁰С), арсенід галіюGaAs (працює при температурах 350…400 ⁰С).

До НП також відносять селен, телур, деякі окисли, карбіди та сульфіди.

НП мають негативний температурний коефіцієнт опору (ТКО) – із збільшенням температури їх опір зменшується (тоді як у провідників – зростає).

Процеси електропровідності НП і діелектриків подібні, але суттєво відрізняються від електропровідності провідників.

У провідників електрони, розташовані на зовнішній орбіті атома, слабко зв’язані з ядром і тому легко покидають свої атоми й хаотично переміщуються – стають вільними. Якщо до провідника прикласти зовнішнє електричне поле, виникне впорядкований рух електронів – електричний струм. У НП електрони міцно зчеплені з кристалічними гратками завдяки так званому ковалентному зв’язку. Доки цей зв’язок існує, електрони не можуть переносити електричний заряд.

При температурі абсолютного нуля у НП відсутні рухомі носії і його електричний опір великий (нескінченний).

Внаслідок дії на речовину теплової енергії деякі з електронів розривають ковалентні зв’язки – відбувається процес генерації пар носіїв: електронів і дірок. При цьому електрон має негативний заряд, дірка – позитивний заряд.

Якщо помістити НП в електричне поле, виникне спрямований рух зарядів – електричний струм. На відміну від провідників струм в НП забезпечується носіями двох зарядів – позитивного та негативного.

Провідність чистого НП має назву власної. Власна провідність звичайно невелика. Значно більшу провідність мають НП з домішками, її характер залежить від виду домішок.

Якщо у розплав чистого германію (IV група таблиці елементів) додається домішка п’ятивалентного елементу (V група таблиці Менделєєва), наприклад, арсену (As), то п’ятий електрон домішки виявляється надлишковим. Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. Це НП з електронною провідністю, або НП n-типу.

Якщо у германій ввести домішки з трьома валентними електронами (ІІІ група таблиці Менделєєва), наприклад, індію (Іn), то утворюються рухомі дірки, а атоми домішки перетворюються у негативні іони. Така домішка називається акцепторною, а НП – з дірковою провідністю, або НП р-типу.

Для роботи НП елемента необхідна наявність двох зон з різним типом провідностей. Це приводить до утворення електронно-діркового переходу (p-n переходу), який визначає характеристику елементу (рисунок 1.1, а). На межі цих зон, внаслідок дифузії електронів та дірок з однієї зони в іншу, утворюється шар без вільних носіїв заряду (запірний шар).

Рисунок 1.1 – Утворення р-n переходу (а) та потенціального бар’єра (б)

Цей шар має значний електричний опір і характеризується контактною різницею потенціалів (рисунок 1.1, б), яку називають потенціальним бар’єром. Ширина цього шару становить декілька мікрометрів.

1.2.2 Фізика роботи напівпровідникових приладів.

Вольт-амперна характеристика

Розглянемо поведінку р-n переходу при підімкненні до нього зовнішньої напруги. Можливе пряме або зворотне вмикання.

При зворотному вмиканні, як показано на рисунку 1.2, до р-n переходу прикладається зовнішня напруга U_зн, внаслідок чого до його внутрішнього електричного поля додається зовнішнє електричне поле з напругою Е_зн.

Рисунок 1.2 – Зворотне вмикання р-n переходу

У результаті поле в р-n переході зростає і дорівнює

Е_рез = Е_вн + Е_зн

Оскільки електричний опір р-n переходу дуже великий, практично вся напруга U_зн прикладається до нього.

Отже, різниця потенціалів на переході становить

φ_рез = φ_к + U_зн

де φ_к – потенціальний бар’єр; φ_рез – результуюча різниця потенціалів.

Запірні властивості переходу при цьому зростають і через перехід протікає незначний за величиною зворотний струм і_зв, який визначається концентрацією неосновних носіїв зарядів.

Рисунок 1.3 – Пряме вмикання р-n переходу

При прямому вмиканні, як показано на рисунку 1.3, зовнішнє електричне поле спрямоване назустріч внутрішньому і результуюча напруга зменшується

Е_рез = Е_вн – Е_зн .

Різниця потенціалів становить

φ_рез = φ_к – U_зн .

У цьому випадку через перехід тече прямий струм, який залежить від концентрації основних рухомих носіїв зарядів і є великим за величиною.

Таким чином, р-n перехід має вентильні властивості (від німецького слова ventil – клапан), тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотному – значний.

Оскільки у р-n переходу явно виражені нелінійні властивості, то залежність струму, що через нього протікає, від прикладеної напруги ілюструють за допомогою вольт-амперної характеристики (ВАХ).

Теоретична ВАХ р-n переходу показана на рисунку 1.4. Вона має пряму (1) та зворотну (2, 3) гілки.

Рисунок 1.4 – Теоретична ВАХ р-n переходу

Якщо напруга прямого вмикання менше потенціального бар’єру U_пр < φ_к, то через перехід, опір якого великий, тече малий струм. Як тільки зі збільшенням U_пр вона досягне величини φ_к , запірні властивості р-n переходу зникають і струм через перехід визначається лише провідністю р- і n- областей.

При зростанні від нуля зворотної напруги U_зв, швидкість руху неосновних носіїв через перехід зростає. При U_зв = U_п швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації – вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбувається лавиноподібний зріст зворотного струму. Це явище називається електричним пробоєм р-n переходу, а U_п – напругою пробою. Якщо при цьому р-n перехід ефективно охолоджується, різке зростання потужності, що в ньому виділяється (U_зв ∙ І_зв), не призводить до суттєвих змін температури структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі. Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні U_зв запірні властивості р-n переходу відновлюються (гілка 2 ВАХ).

Явище електричного пробою використовується, наприклад, при створенні такого НП приладу, як стабілітрон.

При неефективному тепловідведенні, температура структури зростає (кількість рухомих носіїв при цьому збільшується за рахунок теплової генерації), доки електричний пробій не переходить у тепловий, коли матеріал розплавляється і р-n перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний (гілка 3 ВАХ).

Отже, р-n перехід – це явище, що виникає на межі двох НП різного типу провідності і характеризується відсутністю у прилеглій до цієї межі зоні вільних носіїв заряду, через що її опір нескінченний. Тому р-n перехід ще називають запірним шаром.

Насамкінець зазначимо властивості р-n переходу, які (в основному) використовуються при побудові НП приладів:

1) одностороння провідність (вентильні властивості);

2) дуже великий опір зони р-n переходу як зони, де немає вільних носіїв заряду (запірні властивості);

3) зміна ширини р-n переходу зі зміною величини зворотної напруги (як результат – зміна ємності р-n переходу);

4) стабільність напруги на р-n переході в режимі електричного пробою;

5) наявність неосновних носіїв (що виникають внаслідок теплової генерації) в шарах р- і n-типу.

1.3 Напівпровідникові резистори

Напівпровідникові (НП) резистори мають два рівнозначних виводи (електроди).

НП резистори бувають лінійні та нелінійні.

1.3.1 Лінійні резистори

У лінійних резисторів питомий електричний опір не залежить від прикладеної напруги, електричний опір є постійною величиною.

Умовне графічно-буквене позначення (УГБП) лінійного резистора зображено на рисунку 1.5.

Рисунок 1.5 – УГБП лінійного резистора

ВАХ лінійного резистора показаний на рисунку 1.6.

Рисунок 1.6 – ВАХ лінійного резистора

Опір резистора можна визначити згідно закону Ома:

 R = U/I =  tgβ = const.

Лінійні резистори використовують для обмеження струмів.

1.3.2 Нелінійні резистори

Нелінійні резистори (варистори) – це НП резистори, у яких питомий опір залежить від прикладеної напруги.

УГБП варистора зображено на рисунку 1.7.

Рисунок 1.7 – УГБП варистора

Варистор має нелінійну симетричну ВАХ, представлену на рисунку 1.8.

Рисунок 1.8 – ВАХ варистора

Варистори використовують як обмежувачі перенапруг для захисту інших НП приладів.

1.3.3 Терморезистори

Терморезистори – це НП резистори, опір яких суттєво залежить від температури навколишнього середовища.

УГБП терморезистора зображено на рисунку 1.9.

Рисунок 1.9 – УГБП терморезистора

Терморезистори поділяються на термістори, у яких із зростанням температури опір зменшується, та позистори, у яких із зростанням температури опір зростає.

Терморезистори використовуються як датчики температури у системах регулювання температури, теплового захисту, протипожежної сигналізації, для термостабілізації режимів роботи електронних пристроїв.

Потужні позистори дозволяють забезпечувати захист електрообладнання від струмів перевантаження (замість теплових реле).

1.3.4 Фоторезистори

Фоторезистори – це НП резистори, у яких величина опору залежить від ступеню світлового потоку, направленого на них.

УГБП фоторезистора зображено на рисунку 1.10.

Рисунок 1.10 – УГБП фоторезистора

Фоторезистори в основному використовують у пристроях автоматики, наприклад, в системах автоматичного увімкнення освітлення, в перетворювачах світлових сигналів у електричні.

Не дивлячись на назву «напівпровідникові», жоден з НП резисторів не володіє вентильними властивостями.

1.4 Напівпровідникові діоди

1.4.1 Призначення та класифікація діодів

Діоди – напівпровідникові прилади з одним р-n переходом та двома зовнішніми виводами (електродами) від шарів кристалу з різними типами електропровідності.

Зображення УГБП діода представлено на рисунку 1.11.

Рисунок 1.11 – УГБП діода

Ліворуч згідно рисунку 1.11 у діода знаходиться позитивний електрод, який має назву анод, або з точку зору провідності це є р-область, праворуч – електрод, який називається катод, або це є n-область провідності.

Узагальнене призначення діодів полягає у перетворенні змінного струму у постійний (випрямлення струму).

Елементи роботи діодів стануть зрозумілими, якщо підімкнути один з них у коло змінного струму з навантаженням R_н (рисунок 1.12).

Рисунок 1.12 – Робота діода у колі змінного струму та часова діаграма його роботи

Діод проводить струм тільки за умови прикладання до нього прямої напруги u_пр. Прямою напругою для діода є напруга, прикладена у напрямку від анода до катода. Ця напруга вважається умовно позитивною для діода.

Інакше кажучи, діод знаходиться у відкритому стані за умови, коли потенціал на його аноді перевищує потенціал на катоді. У противному випадку діод є закритим, тобто при прикладанні зворотної напруги u_зв він не проводить.

Отже, діод – це найпростіший електронний вентиль.

Класифікація діодів проводиться за декількома ознаками.

І. За конструктивно-технологічним принципом:

- площинні;

- точкові.

ІІ. За призначенням:

- випрямляючі;

- високочастотні та надвисокочастотні;

- імпульсні;

- опорні (стабілітрони);

- фотодіоди;

- світлодіоди.

ІІІ. В залежності від напівпровідникового матеріалу:

- германієві;

- кремнієві.

Переваги діодів полягають у їх малих масі та габаритах, у добрих вентильних властивостях (високий опір зворотному струму та малий опір прямому струму), у високій швидкодії.

1.4.2 Випрямляючі діоди

Випрямляючі діоди входять у склад випрямлячів змінного струму низької частоти (від 50 Гц до 100 кГц) у постійний.

ВАХ таких діодів близька до ВАХ звичайного р-n переходу (рисунок 1.13).

Познавательные статьи:



Психологические особенности спортивного соревнования

Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации

Занятость населения и рынок труда

Социальный статус семьи и её типология