64052 (Полупроводники. Диоды, биполярные и униполярные (МОП) транзи-сторы. Свет. Светочувствительные и светоизлучающие устройства. Оптопары)

Лекция 2

Полупроводники. Диоды, биполярные и униполярные (МОП) транзисторы. Свет. Светочувствительные и светоизлучающие устройства. Оптопары

План:

1. Электропроводимость полупроводников. Образование электронно-дырочной проводимости и ее свойства.

2. Полупроводниковые диоды, условное обозначение, классификация и основные параметры.

3. Биполярные и МОП транзисторы.

4. Светоизлучающие приборы и оптопары.

Ключевые слова:

Электропроводимость, диэлектрик, полупроводник, проводник, электронно-дырочная проводимость, диод, биполярный транзистор, полевой транзистор, МОП-транзистор, фотоэлемент, фотодиод, светоизлучающий диод, оптопара.

1. Электропровидимость полупроводников. Образование электронно-дырочной проводимости и ее свойства

Как известно, на свете существует два вида веществ - проводники и изоляторы. Сопротивление проводников близко к нулю, а изоляторов - к бесконечности. Но резкой грани между этими двумя видами веществ нет, поэтому существуют также вещества, которые уже не проводники, но еще и не изоляторы (или наоборот), и их сопротивление находится где-то посередине между сопротивлениями проводников и изоляторов.

Это "полупроводниковое" состояние вещества крайне неустойчиво, и под воздействием внешних факторов (ничтожные концентрации примесей - один атом примеси на миллиард атомов полупроводника; приложенное к полупроводнику электрическое напряжение; воздействие света, температуры) полупроводник легко переходит в проводник, в изолятор и обратно в полупроводник. Благодаря тому, что на сопротивление полупроводника оказывает влияние, в том числе и электрическое напряжение, стало возможным усиливать и преобразовывать электрические сигналы.

Полупроводниковый материал после получения должен быть модифицирован, чтобы он приобрел качества, необходимые для полупроводниковых устройств.

На рис. 2.1 показана упрощенная схема атома кремния, на которой изображено только четыре электрона на валентной оболочке.

Валентность - это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны, она определяет электрические и химические свойства атома.

Материалы, которым необходимы электроны для заполнения их валентной оболочки, являются нестабильными и относятся к активным материалам. Для приобретения стабильности, активные материалы должны добавить электроны в свои валентные оболочки. Атомы кремния способны объединить свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью процесса, который называется ковалентной связью (рис. 2.2). Ковалентная связь - это процесс совместного использования валентных электронов различными атомами, приводящий к образованию кристалла. Каждый атом в такой кристаллической структуре имеет четыре своих собственных электрона и четыре совместно используемых электрона от четырех других атомов, а всего - восемь валентных электронов. Ковалентная связь ввиду своей стабильности не может поддерживать электрическую активность.

Рис. 2.1. Упрощенная схема атома кремния, на которой показаны
только валентные электроны

полупроводник электропроводимость оптопара светоизлучающий

Рис. 2.2. Кристаллическая структура кремния с ковалентными связями

При комнатной температуре кристаллы чистого кремния являются плохими проводниками. Они ведут себя, как изоляторы. Однако если кристаллу сообщить тепловую энергию, то некоторые электроны получат эту энергию и переместятся на более высокую орбиту, нарушая ковалентную связь. Это позволяет кристаллу проводить ток.

• диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной.

• диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости.

• графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетической диаграммой.

Рис. 2.3.

Для того, чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещённой зоны.

В природе четерехвалентными полупроводниками являются углерод, германий и кремний.

Ge - германий

Si - кремний

Примесная проводимость проводников

Чистые полупроводники (кремний, германий) в электронике используются очень редко. В большинстве приборов используются примесные полупроводники, т. е. в которые добавлено небольшое и очень точно рассчитанное количество определенной примеси. Сам процесс добавления примеси называется легирование, а примесные полупроводники - легированными. В зависимости от рода примеси получаются полупроводники с противоположными свойствами; их еще называют полупроводниками n-типа и р-типа.

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным. За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.

Рис. 2.4.

• примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью.

• полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n-типа.

• в полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.

При введении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.

Рис. 2.5.

• примесь, при которой pi>ni, называется акцепторной примесью.

• полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа.

• в полупроводнике р-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.

В качестве наглядного примера этих процессов можно избрать очередь в кассу. После того как стоящий самым первым человек (электрон) расплачивается, он отходит и к кассе устремляется второй человек Сразу за ним образуется пустое место (дырка), в которую устремляется третий человек, и т. д. Таким образом, люди (электроны) движутся вперед, а пустые места (дырки) движутся назад. Единственное несовершенство очереди как наглядного примера - в ней дырки, дойдя до последнего человека, исчезают за его спиной, В полупроводнике ничто никуда не исчезает.

Если в исходный полупроводник добавить элемент 5-й группы, то в нем появится избыток электронов, которым "некуда деваться". Такой полупроводник относится к п-типу.

2. Диоды и диодные схемы. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

Давайте теперь попытаемся соединить эти два полупроводника. Так как у одного из них недостаток электронов, а у другого - избыток, то электроны и дырки устремляются к границе между этими двумя полупроводниками (рис. 2.6). Встретившиеся электрон и дырка рекомбинируют, т. е, соединяются друг с другом. Процесс рекомбинации продолжается до тех пор, пока не наступит динамическое равновесие, т. е. пока соотношение "количество электронов/количество дырок" не выровняется. В результате у p-n-перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда. В р-области этот слой создается оставшимися после рекомбинации свободных носителей, связанными с кристаллической решеткой отрицательными ионами акцепторной примеси (т. е. элемента 3-й группы), а в п-области - положительными ионами донорной (в переводе – "дающей", элементы 5-й группы), и образующееся в результате рекомбинации электрическое поле (р-область заряжена отрицательно, п-область - положительно) противодействует дальнейшему перемещению электронов и дырок (р-область заряжается отрицательно, электрон - тоже имеет отрицательный заряд; одноименные заряды отталкиваются), т. е. наступает динамическое равновесие. Слой из рекомбинировавших электронов с дырками между двумя полупроводниками называется "p-n-переход", а разность потенциалов на р-п-переходе - потенциальным барьером. Для кремния он равен примерно 0,6 В, для германия меньше.

Рис. 2.6. р-п-переход

Во всех полупроводниках постоянно образуются и снова рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая некоторое количество не основных носителей тока (для р-области - электронов, для п-области - дырок). Находящиеся вблизи p-n-перехода не основные носители, прежде чем успеют рекомбинировать с основными для того типа полупроводника, в котором они "родились", могут попасть в электрическое поле потенциального барьера, "перескочить" на полупроводник противоположной проводимости (для него они будут "основными") и послужить тем самым причиной возникновения дрейфового тока (обратный ток). Так как "перескочивший" не основной носитель уменьшает потенциальный барьер, то для "компенсации" сразу же за ним основной носитель "идет с повинной" к p-n-переходу, где и рекомбинирует.

Полупроводниковый прибор с одним р-п-переходом и называется диодом. Отличительная особенность диода (благодаря наличию р-п-перехода) - он пропускает ток только в одном направлении - от n-области к р-области. Благодаря этому диоды нашли широкое применение в выпрямителях переменного напряжения.

Рис. 2.7

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1. По конструкции: плоскостные диоды, точечные диоды, микросплавные диоды.

2. По мощности: маломощные, средней мощности, мощные.

3. По частоте: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ.

4. По функциональному назначению: выпрямительные диоды, импульсные диоды, стабилитроны, варикапы, светодиоды, тоннельные диоды и так далее.

Условное обозначение диодов подразделяется на два вида:

маркировка диодов;