iomeldar (1021896), страница 19
Текст из файла (страница 19)
3.6). Валентные электроны, покинувшие атомы, имеют более высокие уровни потенциальной энергии и находятся в зоне проводимости. Между этими двумя зонами находится запрещенная зона, ширина ЬЕ которой измеряется в электроно-вольтах (зв). В металле (рис. 3.6, а) ширина зоны ЬЕ практически равна нулю; число свободных носителей велико (порядка 10*' в 1 см'), а удельное сопротивление мало. В полупроводниках (рис. 3.6, б) ширина запрещенной зоны ЬЕ составляет примерно 0,01 — 2 эв.
Удельное сопротивление можно изменять в очень широком диапазоне посредством добавления очень небольшого количества примесей. В изоляторах (рис. 3.6, б) ширина зоны ЛЕ равна 2 — 1О эп. Широкая запрещенная зона мешает переходу валентных электронов в зону проводимости.
Число свободных носителей очень мало, н удельное сопротивление достаточно велико (порядка 10" ом см). ф 1рйии пипонпиапиной опалил виолой Ж 4ооони липониааппной пнаиии аниппмопой (лппупраЬпйин ) а) 'он~ полип ятапп фроЫнип) Фпоппп7ор Рис. а.б 91 В полупроводниковой технике наибольшее применение нашел. германий, атом которого содержит четыре валентных электрона, В кристалле германия атомы прочно удерживаются на своих местах ковалентными связями (парными электронными связями), состоящими в том, что валентные электроны, принадлежащие соседним атомам, движутся строго согласованно. Четыре валентных электрона атома германия образуют четыре ковалеитные связи с четырьмя валентными электронами четырех соседних атомов германия.
В чистом кристалле германия все валентные электроны заняты ковалеитными связями; свободных носителей нет, н материал представляет собой хороший изолятор. Структура кристалла германия показана на рис. 3.7, а. При наличии в кристалле германия примеси пятивалентного элемента, например сурьмы, четыре валентных электрона атома сурьмы вступают в парные электронные связи с четырьмя валентнымп электронами четырех соседних атомов германия. Пятый валентный электрон атома сурьмы ие может вступить в ковалентную связь, поскольку все валентные электроны соседних атомов германия уже вступили в ковалентные связи.
Поэтому пятый валентный электрон атома сурьмы становится избыточным, слабо связанным с атомом. Примесь, дающая избыточные электроны, называется донором, а полупроводник с такой примесью — материалом типа и. Структура кристалла германия с донорной примесью показана на рис. 3.7, б. При введении в кристалл германия небольшой примеси трехвалентного элемента, например, индия, атом индия образует четыре ковалентные связи с четырьмя валентными электронами четырех соседних атомов германия; при этом недостающий четвертый электрон, необходимый для создания четвертой ковалентной связи, атомом индия отбирается от одного из соседних атомов германия.
В том месте атома германия, где отобран валентный электрон, образуется положительный заряд, называемый дыркой. Дырки, как и электроны, перемещаются в электрическом поле (но в противоположных направлениях). Примесь, а) ф ф вызывающая дырочную проводимость, называется акцеллюром, а полупроводник с такой примесью — материалом типа р. Структура кристалла германия с акцепторной примесью изображена на рис. 3.7, а.
Уровни потенциальных энергий доноров н акцепторов находятся внутри запрещенной зоны. При введении примеси ширина «эффективной» запрещенной зоны уменьшается, а электропроводность сильно увеличивается, так как валентные электроны могут перейти (например, под действием теплового движения) из валентной зоны на уровни примеси и оттуда — в зону проводимости. Если ввести акцепторную примесь с одной стороны кристалла типа п, то получается структура кристалла, показанная на рис. 3.8, а, основная особенность которой состоит в том, что материалы типов р и и непосредственно соприкасаются и образуют одно твердое тело. В материале типа р велика концентрация дырок, в материале типа п — концентрация электронов.
Различие концентраций вызывает диффузию дырок из материала типа р в материал типа л и диффузию электронов в обратном направлении. По обеим сторонам поверхности раздела материалов типа р и и получается тонкий слой (называемый переходом р — и) с очень сильно изменяющейся концентрацией дырок и электронов. Дырки, перешедшие из материала типа р в материал типа и, находящиеся в указанном слое, препятствуют дальнейшей диффузии дырок в материал типа и. Аналогично ведут себя и электроны. В результате достигается устойчивое равновесие. При обратном смещении отрицательный полюс источника внешнего напряжения присоединяется к материалу типа р, а положительный полюс — к материалу типа и (рис.
3.8). При этом дырки стремятся к отрицательному зажиму, а электроны — к положительному зажиму источника напряжения. Носители зарядов разных знаков стремятся отойти от перехода. а) 4 4 Рис. з.з Количество нос)«гелей в переходе очень мало, а электрическое сопротивление перехода получается большим, в результате чего ток имеет небольшое значение даже при очень большом напряжении. Переход р — и представляет собой электрический вентиль, хорошо пропускающий ток в прямом направлении и плохо— в обратном. Коэффициенты выпрямленна гермаииевых и кремниевых диодов велики — (3 — 1000) 1О', При очень больших обратных напряжениях наступает пробой перехода р — п вследствие лавинообразного увеличения тока, вызванного ударной ионизацией.
Рабочая температура у германиевых диодов колеблется в пределах от — 60 до + 70'С, а у кремниевых от — 60 до + (125 — 250)'С. Более совершенные германиевые и кремниевые выпрямители в недалеком будущем вытеснят купроксные и селеновые. Плоскостной полупроводниковый усилительный прибор, называемый транзистором, имеет структуру типа р — и — р или и — р — и, т. е. содержит два перехода типа р — и (рис. 3.9). К входному переходу, т.
е, к переходу «эмиттер †ба» подводится прямое смещение е, (0,1 †: 0,2 в), к выходному переходу «база — коллектор» — напряжение обратного смещения е«(10 —:20 в). Входной электрод называется эмиттером и служит источником дырок. База является управляющим электродом. Ее роль 93 аналогична роли сетки в электронной лампе. Коллектор служит для сбора дырок, выходящих из эмиттера. При положительном приращении напряжения на эмиттере увеличивается дырочиый ток через входной переход «эмиттер— база». Дырки, попадающие в базу, движутся в ней за счет диффузии, так как электрическое поле в базе практически отсутствует, Для уменьшения длительности диффузии дырок в базе следует взять очень малую ширину базы — порядка 5 —:20 мк.
Дырки, достигшие перехода «база — коллектор» под действием сильного поля в этом переходе, попадают на коллектор. Ток коллектора несколько меньше тока эмиттера, поскольку часть дырок в базе заполняется электронами (рекомбинируется). Вмиааед блед ле»ееладе лде. а.э Основным параметром транзистора является коэффициент усиления тока а= —" ш« (3.11) дг, ~и„=««д»р У плоскостных транзисторов а =. 0,9 — 0,99. Таким образом, в схеме типа «общая база» (рис.
3.9) транзистор не усиливает ток, но очень усиливает напряжение н мощность, так как в цепи коллектора включено значительное сопротивление нагрузки г„, на котором получается напряжение (/, „ =г„(„, в сотни раз превышающее напряжение входного сигнала М/,. Входное сопротивление схемы «общая база» (рис. 3.9) мало, поскольку входным электродом служит эмиттер, т. е. анод диода, состоящего из перехода «эмиттер — база», на который подано прямое смещение. В других схемах включения транзистор значительно усиливает ток, и его входное сопротивление можно сделать большим.
В отличие от электронной лампы, которая управляется напряжением на сетке, транзистор управляется током входного электрода. Несмотря на это, можно получить пренебрежимо малое потребление мощности на входе транзисторного усилителя. й 3.6. Термосопротивления Термосопротиаления (термисторы) представляют собой полупроводники, электрическое сопротивление которых очень сильно уменьшается при увеличении температуры. В транзисторах ток коллектора зависит от температуры.
Для стабилизации режима, т. е. для обеспечения постоянства тока и напряжения коллектора при изменениях температуры, приходится включать специальные схемы температурной компенсации. Зависимость электрического сопротивления термистора от температуры является его основным преимуществом и определяет рабочую характеристику. Термосопротивления обычно изготовляют из окислов металлов в виде полупроводников, электрическое сопротивление которых уменьшается от 2,4 до 6'о при увеличении температуры на 1'С. Термосопротнвления применяются в качестве чувствительных датчиков температуры.
Высокая температурная чувствительность термосопротивленнй значительно упрощает измерение, контроль и регулирование температуры, дает возможность осуществить простую термокомпенсацию электронных или полупроводниковых схем, позволяет стрзить схемы автоматического пуска электродвигателей, схемы реле времени, стабилиззторов напряжения, анемометров для изменения скоростей потоков газов или жидкостей и т. п. Основными преимуществами термосопротивления являются: малый габарит, малые постоянные времени, дешевизна, крайняя простота схем применения, стабильность характеристик во времени, высокая надежность и отсутствие ухода.
Высокая чувствительность электрического сопротивления полупроводников к изменениям температуры обьясняется тем, что при увеличении температуры количесто электронов, способных преодолеть ширину запрещенной зоны, резко возрастает. В этом случае значительно увеличивается количество электронов в зоне проводимости и, следовательно, электрическое сопротивление резко уменьшается. Электрическое сопротивление термистора с достаточной точностью определяется по формуле в Ятс =Ае', где А и  — постоянные, зависящие от физических свойств материала; Т вЂ” абсолютная температура. Прн использовании термосопротивления в качестве датчика температуры необходимо повысить чувствительность к изменениям температуры.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
