Полупроводники и их свойства. Основные полупроводниковые приборы.

Собственная проводимость полупроводников невелика. Ее увеличивают легируя полупроводник примесями. В результате полупроводник приобретает электронную и дырочную проводимость. Под действием приложенного к полупроводнику напряжения свободные электроны перемещаются в одном направлении, а образовавшиеся в результате освобождения электронов дырки (в атомах) движутся в противоположном направлении. Дырка рассматривается как положительно заряженная частица, заряд которой равен заряду электрона. Движение электронов и дырок, а, следовательно, и величина тока в полупроводниках, определяется значениями их подвижности ().

Подвижность носителей тока есть отношение скорости движения электрона или дырки к величине напряженности электрического поля в полупроводнике, равной 1 в/см.

Электронная проводимость – n типа отрицательная.

Дырочная проводимость – р типа положительная.

Полупроводники на границе раздела с металлами или с другими полупроводниками образуют переходный слой с большим сопротивлением (запирающий слой) при одном направлении тока. При другом направлении тока электрическое сопротивление переходного слоя резко уменьшается, и он начинает пропускать ток. На этом свойстве основано устройство полупроводниковых выпрямителей и усилителей.

p-n-перехо́д или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

 

Рисунок 30 - Энергетическая диаграмма p-n -перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении

 

Области пространственного заряда

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и перетекание зарядов прекращается.

Ректификация

Если приложить внешнее напряжение так, чтобы созданное им электрическое поле было направленным противоположно направлению электрического поля между областями пространственного заряда, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением.

Если же внешнее напряжение приложено так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем между областями пространственного заряда, то это приведет лишь к увеличению областей пространственного заряда, и ток через p-n-переход не идёт. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением.

Применение

Диоды, Транзисторы, Тиристоры, Варикапы, Стабилитроны, Светодиоды, Фотодиоды, Стабисторы

 

Полупроводниковый диод

Основные характеристики и параметры диодов

 

Рисунок 31 - Диод ДГ-Ц25. 1959 г.

 

Диод - полупроводниковый прибор из двух полупроводников с разным типом проводимости, применяется для выпрямления переменного тока.

Классификация диодов

Типы диодов по назначению

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Импульсные диоды имеют малую длительность переходных процессов, предназначены для применения в импульсных режимах работы.

Детекторные диоды предназначены для детектирования сигнала

Смесительные диоды предназначены для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты.

Переключательные диоды предназначены для применения в устройствах управления уровнем сверхвысокочастотной мощности.

Параметрические

Ограничительные диоды предназначены для защиты радио и бытовой аппаратуры от повышения сетевого напряжения.

Умножительные. Настроечные, Генераторные

Типы диодов по частотному диапазону

Низкочастотные, Высокочастотные, СВЧ

Типы диодов по размеру перехода

Плоскостные, Точечные

Типы диодов по конструкции

Диоды Шоттки, СВЧ-диоды, Стабилитроны, Стабисторы, Варикапы, Светодиоды, Фотодиоды, Лавинный диод, Лавинно-пролётный диод, Диод Ганна, Туннельные диоды, Обращённые диоды

 

Биполярный транзистор

Биполярный транзистор — трёхэлектродный полупроводниковый прибор, один из типов транзистора. Электроды подключены к трём последовательно расположенным слоям полупроводника с чередующимся типом примесной проводимости. По этому способу чередования различают npn и pnp транзисторы (n (negative) — электронный тип примесной проводимости, p (positive) — дырочный). В биполярном транзисторе, в отличие от других разновидностей, основными носителями являются и электроны, и дырки (от слова «би» — «два»). Схематическое устройство транзистора показано на втором рисунке.

Рисунок 32 - Обозначение биполярных транзисторов на схемах (а); простейшая наглядная схема устройства транзистора(б)

 

Электрод, подключённый к центральному слою, называют базой, электроды, подключённые к внешним слоям, называют коллектором и эмиттером. На простейшей схеме различия между коллектором и эмиттером не видны. В действительности же главное отличие коллектора — бо́льшая площадь p — n-перехода. Кроме того, для работы транзистора абсолютно необходима малая толщина базы.

Биполярный точечный транзистор был изобретен в 1947 году, в течение последующих лет он зарекомендовал себя как основной элемент для изготовления интегральных микросхем, использующих транзисторно-транзисторную, резисторно-транзисторную и диодно-транзисторную логику.