Виды полупроводниковых приборов – — , » :

Классификация полупроводниковых приборов. — Студопедия.Нет

 

Полупроводниковыми приборами называются приборы, принцип действия которых основан на использовании свойств pn-переходов.

1. Полупроводниковые резисторы

2. Полупроводниковые диоды

3. Биполярные транзисторы

4. Полевые транзисторы

5. Тиристоры

6. Полупроводниковые фотоэлектрические приборы.

7. Полупроводниковые микросхемы.

8. Комбинированные полупроводниковые приборы.

 

Полупроводниковые резисторы

 

Классификация:

1. Линейные резисторы

2. Варисторы

3. Терморезисторы (термисторы и позисторы)

4. Тензорезисторы

5. Фоторезисторы.

 

Линейные резисторы

Линейный резистор — полупроводниковый резистор, в котором применяется слаболегированный материал типа кремния или арсенида галлия.

 

Используются в интегральных микросхемах.

 

Варисторы

Варистор — полупроводниковый резистор, сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.

 

Один из основных параметров варистора коэффициент нелинейности. , где U I Напряжения и ток варистора. Коэффициент нелинейности для различных типов варисторов лежит в пределах 2-6.

 

Терморезисторы (термисторы и позисторы)

 

Терморезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления полупроводника от температуры.

Термистор — сопротивление с ростом температуры падает.

Позистор — сопротивление с ростом температуры растет.

 

Один из основных параметров терморезистора — температурный коэффициент сопротивления, который выражает процентное изменение сопротивления в зависимости от температуры.

Для термисторов K=-0.3 — -0.66. У позисторов температурный коэффициент положительный. Применяются в системах регулирования, тепловой защите.

 

Тензорезисторы

Тензорезистор — полупроводниковый резистор, в котором используется зависимость электрического сопротивления от механических деформаций. Важнейшей характеристикой является деформационная характеристика.

 

 

Основными параметрами является номинальное сопротивление R= 100-500 Ом и коэффициент тензочувствительности  

К=-150 — +150.

 

Полупроводниковые диоды.

 

Полупроводниковый диод это полупроводниковый прибор с одним pn-переходом. По конструкции классифицируются как плоскостные и точечные.

 

К точечным диодам относятся:

 

1. Выпрямительные.

2. СВЧ — диоды.

 

К плоскостным диодам относятся:

 

1. Выпрямительные

2. Стабилитроны

3. Туннельные диоды

4. Обращенные диоды

5. Варикапы.

6. Светодиоды

7. Фотодиоды

8. Фотоэлементы.

 

Выпрямительные диоды.

 

Это диоды предназначенные для выпрямления переменного тока. По мощности подразделяютя на маломощные, средней и большой мощности. Вольтамперная характеристика аналогична характеристике pn-перехода. Основные параметры:

— прямое напряжение, которое нормируется при определенном прямом токе.

— максимально допустимый прямой ток

— максимально допустимое обратное напряжение

— обратный ток, который нормируется при определенном обратном напряжении.

Для повышения обратного напряжения диоды включаются последовательно. В диодных матрицах диоды присоединены к одному общему выводу. В диодных сборках используется параллельное, последовательное, мостовое и другие способы включения диодов.

 

Стабилитроны

Полупроводниковый диод, напряжение на котором в области пробоя слабо зависит от тока и который используется для стабилизации напряжения. Работа стабилитрона видна из его вольт — амперной характеристики.

 

 

При увеличении Iн Iс уменьшается, а напряжение остается постоянным за счет характеристики стабилитрона. Основными параметрами стабилитрона являются:

1. Напряжение на участке стабилизации Uст

2. Динамическое сопротивление на участке стабилизации

3. Минимальный и максимальный токи стабилизации Iст min Iст max Стабилитроны допускают последовательное включение, при этом общее напряжение стабилизации равно сумме напряжений стабилизации.

 

Туннельный диод.

Полупроводниковый диод на основе вырожденного полупроводника. Из-за высокой концентрации примесей и малой ширины pn-перехода в области перехода появляются так называемые потенциальные ловушки, что приводит к образованию на вольтамперной характеристике участка с отрицательным сопротивлением (т.е. при увеличении напряжения ток уменьшается).

 

 

Основными параметрами являются:

1. Ток пика Ip

2. Отношение тока пика к току впадины

 

Обращенные диоды

 

— Разновидность туннельных диодов. Электрическая проводимость при обратном напряжении вследствие туннельного эффекта значительно больше, чем при прямом напряжении. Обладают вентильными свойствами при малых напряжениях в той области, где выпрямительные диоды вентильными свойствами не обладают. Туннельные диоды применяются в генераторах высокочастотных колебаний и в импульсных переключателях.

 

Варикап

 

Полупроводниковый диод, в котором используется зависимость емкости pn-перехода от обратного напряжения. Варикап применяется в качестве элемента с электрически управляемой емкостью. Используется в схемах управления, для автоматической подстройки частоты.

 

 

Основные параметры:

Общая емкость при небольшом обратном напряжении Uобр=2-5В и коэффициент перекрытия по емкости . Для большинства варикапов С=10-500 пФ и К=5-20.

В последнее время появилось еще два типа диодов — магнитодиод и тензодиод. Магнитодиод — полупроводниковый диод в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием магнитного поля. Основным параметром является его чувствительность , где dU и dB приращение прямого напряжения и магнитной индукции. K=(10-50)*103 B/(Тл*мА)

Тензодиод -полупроводниковый диод в котором используется изменение вольтамперной характеристики под действием механических деформаций. В качестве тензодиодов обычно применяются туннельные диоды у которых отдельные участки в/а характеристики существенно зависят от деформации рабочего тела диода.

 

Биполярные транзисторы

Биполярным транзистором называется полупроводниковый прибор состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности.

 

Классификация:

 

По типу:

 

1. p-n-p-тип

 

 

2. n-p-n-тип

 

По частоте:

 

1. низкочастотные f < 3 Мгц

2. среднечастотные 3 МГц < fгр < 30 Мгц

3. высокочастотные 30М Гц < fгр < 300 Мгц

4. сверхвысокочастотные fгр > 300 Мгц

 

По мощности:

1. малой мощности Рmax < 0.3 Вт

2. средней мощности 0.3 Вт < Рmax < 1.5 Bт

3. большой мощности Рmax > 1.5 Bт

 

В биполярных транзисторах ток определяется носителями зарядов двух типов: электронов и дырок (отсюда и название биполярный) Транзистор имеет три вывода которые называют база, эмиттер, коллектор. В зависимости от проводимости транзисторы подразделяют на транзисторы прямой проводимости p-n-p и транзисторы обратной проводимости n-p-n. В зависимости от полярности прикладываемых напряжений транзистор может работать в одном из трех режимов:

1. Режим отсечки. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором обратные.

2. Режим насыщения. Напряжение между эмиттером и базой и напряжение между эмиттером и коллектором прямые.

3. Активный режим. Напряжение между эмиттером и базой прямое, а между эмиттером и коллектором обратное.

 

Рассмотрим работу транзистора в активном режиме.

 

При действии прямого напряжения Еб эмиттерный переход смещается в прямом направлении (ширина перехода уменьшается) и дырки свободно проходят через pn переход в область базы. База очень тонкая, поэтому основная масса дырок перемещается к коллекторному переходу и лишь незначительная часть рекомбинирует с электронами базы, образуя ток базы Iб. Изменением тока базы можно изменять напряжение на эмиттерном переходе (изменять ширину, а следовательно сопротивление перехода) и таким образом управлять током между эмиттером и коллектором. Следовательно, особенность транзистора состоит в том, что между его электронно дырочными переходами существует взаимодействие — ток одного из переходов может управлять током другого перехода. В этом состоит усилительное свойство транзистора — незначительное изменение тока базы Iб влечет значительное изменение тока коллектора Iк. Уравнение связи токов в транзисторе имеет вид: Iэ=Iб+Ik+Iко, где Iко — обратный коллекторный ток. Связь между приращением эмиттерного и коллекторного токов характеризуется коэффициентом передачи тока:  при Uкб=Const для схемы с общей базой.

 

Схемы включения транзистора.

 

studopedia.net

Классификация полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые резисторы и диоды – двухэлектродные приборы.

Транзисторы – трехэлектродные.

Тиристоры – могут быть как двух, так и трехэлектродными.

В полупроводниковых резисторах используются однородные (изо­тропные) полупроводники — материалы.

В полупроводниках диодах используют полупроводники с различными типами электропроводности, образующие один p-n переход.

В биполярных транзисторах полупроводники с различными типами проводимости образуют два p-n перехода. В полевых – один, в тиристорах 3 и более p-n переходов.

Полупроводниковые резисторы – это полупроводниковые приборы с двумя выводами, в которых электрическое сопротивление полупроводни­ка зависит от напряжения. Полупроводниковые резисторы изготавли­вают из полупроводников, равномерно легированных примесями.

Линейный резистор, в котором используется слаболегиро­ванный кремний или арсенид галлия. R=const в широком диапазоне изменений напряжений и токов. Используют в ИМС.

Варистор – полупроводниковый резистор с нелинейной симметричной БАХ. Изготавливают из кристаллического карбида кремния, смешанного с глиной. Применяют в целях защиты от перенапряжений.

Терморезисторы (позисторы – с ростом t° растет R)

(термисторы – с ростом t падает R)

– полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от t° термисторы изготавливают из полупроводниковых материалов с электронной электропроводностью – окислов металлов.

Позисторы изготавливают из титан бариевой керамики с примесью редкоземельных элементов. Применяют в систе­мах регулирования температуры, тепловой защиты, противопожарной сигнализации.

Тензорезистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит oт линейной деформации рабочего тела. Материалом при изготовлении служит кремний p и n — ти­пов, применяют для измерения деформации твердых тел.

Фоторезистор — полупроводниковый прибор, электрическое сопротивление которого изменяется под действием лучи­стой энергии. В качестве материала для фоторезистора используют селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сернистый кадмий и др. полупроводники с n — проводимостью. Фоторезисторы обладают высокой интегральной чувствительностью и применяются в устройствах автоматики и телемеханики.

Полупроводниковые диоды — полупроводниковые приборы с одyим p-n переходом и двумя выводами делятся на два класса: точечные и пло­скостные. По способу внесения примесей: сплавные и диффузные.

1) Выпрямительный диод используется для выпрямления переменных токов и напряжений.

Основные параметры:

1) прямой ток диодаI_пр (при U_пр=l2B)

2) max допустимый ток диода I _{пр. max}.

3) max допустимое обратное напряжение U_обр.max.

4) обратный ток диода I_обр. (при U_обр.max.) Большинство диодов могут надежно работать при U_обр. 0,70,8U_проб..

2) Стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока. Используют для стабилизации напряжения. Материал изготовления – кремний.

Основные параметры:

1) стабилизирующее напряжение U_ст.(11000 В)

2) динамическое сопротивление на участке стабилизации

R=dU_ст./dI_ст.  (0,5200 const)

3) min ток стабилитрона I_{ст. min}[110 мА]

4) max ток стабилитрона I_{ст. max}[502000 мА]

5) температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации

TKU = dU­_ст./dT100% (-0,5+0,2)% / °С.

Стабилитроны можно включать только последовательно друг с другом, при этом

U_ст.= U­_{ст. 1} + U_{ст. 2} + … + U_{ст. n}.

Параллельное соединение не допустимо, т.к. из-за не идентичности ха­рактеристик возможен перегрев одного из стабилитронов.

3) Туннельный диод (1)(рассмотрен ранее)

Основные характеристики:

1) ток пика I_n100 мА)

2) ток впадины I_в (…)

3) отношение I_n/I_в520

4) Обращенный диод – разновидность туннельного I_n.0. Используется обратная ветвь. Применяют в импульсных устройствах, в преобразователях сигналов (смесителях и детекторах) в радиотехнических устройствах.

5)Варикап – полупроводниковый прибор, использующий зависимость емкости p-n перехода от обратного напряжения. Используется как элемент с электрически управляемой ем­костью (материал – кремний) а также в системах дистанционного управления и в параметрических усилителях с малым уровнем собственных шумов. Основные параметры:

1) общая емкость варикапа Св приU_обр.=25 В.

2) коэффициент перекрытия по емкости Кс=520

– фотодиод

– светодиод

– фотоэлемент

Тиристор (теория в лаб. работе).

Транзисторы

• биполярные

• полевые

Биполярные транзисторы

Транзистор — электропреобразовательный полупроводниковый прибор, служащий для преобразования электрических величин. Наиболее распро­странены транзисторы с двумя p-n переходами. Эти транзисторы на­зывают биполярными, т.к. их работа основана на использовании носите­лей заряда обоих знаков. Первые транзисторы были точечными. Они ра­ботали не достаточно устойчиво. В настоящее время изготовляются и применяются исключительно плоскостные транзисторы.

Устройство биполярного транзистора. Средняя об­ласть называется Базой (Б), две крайние – Эмиттер (Э) и Коллектор (К). Пластинка по­лупроводника (Ge или Si) в которой созданы три области Э, Б, К. В транзисторе два p-n перехода: Эмиттерный (между Э Б) и Коллекторный (между Б и К). Область базы должна быть очень тонкой – это условие хорошей работы транзистора. Концентра­ция примесей в ^азе значительно меньше, чем в Э и К. Стрелка эмиттера показывает условное направление тока (от «+» к «–») при прямом на­пряжении.

Транзистор может работать в одном из трех режимов:

«А» => активном – на Э напряжение прямое, на К – обратное

«В» => отсечки (запирания) – на оба перехода подается U_обр.

«С» => насыщение – на оба перехода подается U_прямое.

Активный режим (режим линейный) – основной (A) он используется в большинстве усилителей и генераторов. Режимы отсечки (В) и насыщения (С) характерны для импульсной работы транзистора.

В схемах с транзисторами образуются две цепи:

– входная или управляющая – служит для управления работой транзи­стора и подключения источника усиливаемых колебаний;

– выходная или управляемая – служит для получения усиленных сигналов и подключения нагрузки.

Схемы включения биполярных транзисторов.

10

studfiles.net

3. Типы полупроводниковых приборов.

Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторов существуют еще и точечные

диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см на рисунке ) перед

пременением его формуют т.е. пропускают ток определенной величины,

вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочной

проводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий

вид на рисунке 5.

Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид на рисунке. К

плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такого диода

служит стальная шайба , покрытая с одной стороны слоем селена, являющегося

полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхност селена

покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающая

электронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющий

ток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.

4. Призводство

Технология изготовления диода такова. На поверхности квадратной пластинки

площадью 2-4 см в кв и толщиной в несколько долей миллиметра, вырезанной из

кристала полупроводника с электронной проводимостью, расплавляют кусочек

индия. Индий крепко сплавляется с пластинкой.При этом атомы индия проникают

(диффузируют) в толщу пластинки, образуя в ней область с преобладанием

дырочной проводимости рис 6 Получается полупроводниковый прибор с двумя

областями различного типа проводимости,а между ними p-n-переход. Чем тоньше

пластинка полупроводника. тем меньше сопротивление диода в прямом

направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактами диода служат

капелька индия и металлический диск или стержень с выводными проводниками

После сборки транзистора его монтируют в корпус, присоеденяют эл. выводы

к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса и герметизируют корпус.

5. Область применения

Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70

до 125 С . Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала,

поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их

используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для

измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно

допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и

обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.

Транзисторы , как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке

и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от

неправильного подключения.

studfiles.net

Виды полупроводников и их использование

В промышленности и энергетической микроэлектронике широкое распространение получили различные виды полупроводников. С их помощью, одна энергия может превращаться в другую, без них не будут нормально работать многие электронные устройства. Существует большое количество типов данных элементов, в зависимости от принципа их работы, назначения, материала, конструктивных особенностей. Для того, чтобы понять порядок действия полупроводников, необходимо знать их основные физические свойства. Свойства и характеристики полупроводников Основные электрические свойства полупроводников позволяют рассматривать их, как нечто среднее, между стандартными проводниками и материалами, не проводящими электрический ток. Полупроводниковая группа включает в себя значительно больше разных веществ, чем общее количество проводников и диэлектриков. Широкое распространение в электронике получили полупроводники, изготовленные из кремния, германия, селена и прочих материалов. Их основной характеристикой считается ярко выраженная зависимость от воздействия температуры. При очень низких температурах, сравнимых с абсолютным нулем, полупроводники приобретают свойства изоляторов, а при повышении температуры, их сопротивление уменьшается с одновременным повышением проводимости. Свойства этих материалов могут изменяться и под действием света, когда происходит значительное увеличение фотопроводности. Полупроводники преобразуют световую энергию в электричество, в отличие от проводников, не обладающих этим свойством. Кроме того, увеличению электропроводности способствует введение в полупроводник атомов определенных элементов. Все эти специфические свойства позволяют использовать полупроводниковые материалы в различных сферах электроники и электротехники. Виды и применение полупроводников Благодаря своим качествам, все виды полупроводников разделяются на несколько основных групп. Диоды. Включают в себя два кристалла из полупроводников, имеющих разную проводимость. Между ними образуется электронно-дырочный переход. Они производятся в различном исполнении, в основном, точечного и плоского типа. В плоских элементах, кристалл германия сплавлен с индием. Точечные диоды состоят из кристалла кремния и металлической иглы. Транзисторы. Состоят из кристаллических полупроводников в количестве трех штук. Два кристалла обладают одинаковой проводимостью, а в третьем, проводимость имеет противоположное значение. Они называются коллектором, базой и эмиттером. В электронике, транзистор усиливает электрические сигналы. Тиристоры. Представляют собой элементы, преобразующие электричество. Они имеют три электронно-дырочных перехода с вентильными свойствами. Их свойства позволяют широко использовать тиристоры в автоматике, вычислительных машинах, приборах управления. Чем полупроводник отличается от изоляторов и проводников

electric-220.ru

Классификация полупроводниковых приборов

Глава 1. Физические основы проводимости полупроводников

1.1.Электропроводность полупроводников. Беспримесные и примесные полупроводники

Особенности электропроводности полупроводников обусловлены спецификой распределения по энергиям электронов атомов. Уровни энергий характеризуются энергетической диаграммой полупроводников.

Свободный электрон может появиться только при сообщении ему достаточной энергии, которая позволит разорвать имеющиеся связи. При этом полная энергия свободных электронов будет выше, чем у связанных, на величину, необходимую для разрыва связи. Отсюда появляются зона проводимости и зона валентная. В идеальных кристаллах электрон не может обладать промежуточной энергией. По этой причине в середине образуется запрещенная зона. Для германия ширина запрещенной зоны 0,72 эВ, для кремния – 1,12 эВ.

У металлов энергетическая диаграмма представляет собой непрерывный спектр разрешенных значений энергии, а у полупроводников и диэлектриков – прерывистый (рис.1).

а б в

Рис.1. Энергетические диаграммы: а – металла; б – полупроводника; в – диэлектрика.

У полупроводников и диэлектриков зоны разрешенных значений энергии отделены запрещенной зоной W_з.Две разрешенных зоны – нижняя, заполненная, валентная, верхняя, свободная, или зона проводимости. Величина W_з определяет энергию, которую нужно сообщить электрону, расположенному в верхнем энергетическом уровне валентной зоны, чтобы перевести его на нижний уровень зоны проводимости. Из-за этого число свободных электронов в полупроводнике меньше, чем в металле, а значит меньше и его проводимость.

На рис. 2 показана структура кристалла германия. (Германий и кремний, материалы IV группы, наиболее часто используются для изготовления полупроводников). В кристаллической решетке атомы сближены, орбиты валентных электронов обобществлены. Каждый атом связан ковалентными связями с соседними 4-мя атомами, что занимает все 4 валентных электрона внешней оболочки атома.

При температуре 0^оК все электроны связаны, тока нет. При воздействии внешних факторов (повышение температуры, освещение) кристаллу сообщается достаточное количество энергии, в результате чего электрон освобождается от связи с атомом и становится свободным. Это соответствует переходу на энергетической диаграмме из валентной зоны в зону проводимости. Полная энергия свободного электрона больше, чем связанного. В идеальных кристаллах электроны не могут обладать энергией между W_с и W_v.

а б в

Рис. 2. Кристаллическая решетка кристалла германия: а – образование свободного электрона; б – энергетическая диаграмма; в – схема образования и перемещения дырки

Под воздействием электрического поля свободный электрон способен перемещаться и участвовать в создании электрического тока. Выход электрона из ковалентной связи приводит к появлению в ней разрыва – дырки, которой присваивается положительный заряд. В валентной зоне ей соответствует наличие вакантного уровня энергии. В итоге электроны валентной зоны приобретают возможность перемещаться в кристалле и участвовать в создании электрического тока.

При температуре выше абсолютного нуля происходит термогенерация носителей заряда (переход многих электронов из валентной зоны в свободную). В полупроводнике создается некоторая концентрация электронов n_i в свободной зоне и дырок p_i в валентной зоне. Эта концентрация зависит от температуры, W_з , материала

, (1.1)

где А – коэффициент, определяемый материалом;

k = 1,37 . 10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура.

Одновременно с термогенерацией происходит рекомбинация носителей, поэтому имеет место динамическое равновесие концентраций.

С целью увеличения электрической проводимости создают примесные полупроводники. При этом в зависимости от характера легранта полупроводник имеет преимущественно электронную (n-типа) или дырочную (p — типа) проводимость.

Для получения полупроводника с n-проводимостью в германий или кремний ( IV группа системы элементов) вводят элемент V группы (сурьма, фосфор, мышьяк), атомы которых имеют 5 валентных электронов (донор) (рис.3). Четыре электрона участвуют в ковалентных связях, а 5-й в связях не участвует и имеет более слабую связь с атомом. На энергетической диаграмме они находятся ближе к свободной зоне и поэтому все участвуют в создании тока. Концентрация носителей определяется концентрацией свободных электронов примеси. Она выше концентрации дырок, поскольку дырки быстро рекомбинируют, поэтому

P_n<<n_i.

В связи с этим электроны называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными.

а б

Рис. 3. Кристаллическая решетка полупроводника n-типа: а – схема образования электронной проводимости в примесном полупроводнике; б – энергетическая диаграмма

Аналогично создается повышенная концентрация дырок при введении примеси III группы (индий, галлий, алюминий, бор). Это акцепторная примесь, поскольку у атома не хватает одного электрона и он захватывает его у соседнего атома. При этом получается отрицательный ион и дырка проводимости:

P_p >> n_i ; n_p << n_i; n_p p_p = n_i².

При этом дырки будут основными, а электроны – неосновными носителями заряда (рис. 4).

а б

Рис. 4. Кристаллическая решетка полупроводника p — типа: а – схема образования дырки при введении донорной примеси; б – энергетическая диаграмма

Концентрация донорной примеси составляет 10¹⁵ — 10¹⁶ см^-3, т.е.

1 примесный атом на 10⁶ — 10⁸ атомов основного вещества.

Зависимость концентрации носителей от температуры ограничивает температурный диапазон применения полупроводников. При повышении температуры растет концентрация неосновных носителей и снижается проводимость. По этой причине кремний имеет преимущество перед германием – его температура 150^о — 170^оС, а у германия 75^о — 85^оС.

Значительную роль в поведении полупроводников играет процесс рекомбинации. После окончания воздействия внешнего фактора, который вызвал относительное увеличение концентрации неосновных носителей, будет происходить рекомбинация дырок с электронами.

Спад концентрации дырок происходит по закону

, (1.2)

где _p – называется временем жизни дырок в электронном полупроводнике. Аналогично для электронов получим _n – время жизни электронов в дырочном полупроводнике. Уменьшение _p и _n приводит к повышению быстродействия полупроводникового прибора. Для этого в примесный полупроводник вводят небольшое количество золота или никеля, создающих эффективные центры рекомбинации, поскольку обеспечивают в запрещенной зоне создание промежуточных энергетических уровней. Тогда рекомбинация идет в два этапа. Это позволяет сократить _p и  _n с 10^-7 – 10 ^-5 с до 10^-9 – 10^-8 с. При отсутствии электрического поля и одинаковой концентрации носителей заряда в объеме полупроводника, электроны и дырки движутся хаотично, поэтому ток равен нулю. Наличие электрического поля приводит к появлению дрейфового тока или тока проводимости (рис.5).

Рис. 5. Изменение проводимости полупроводника при изменении температуры.

I_дрn= q n _nE; (1.3)

I_дрp = q p _pE; (1.4)

где n, p – концентрация носителей;

q – заряд электрона;

_n, _p – подвижность носителя (  = E/V ) .

При наличии неравномерного распределения носителей зарядов возникает диффузионный ток

I_дифn = q D_ndn/dx ; I_дифp= — q D_p dp/dx, (1.5 )

где D_n, D_p – коэффициенты диффузии;

D = _t  ; _t – тепловой потенциал; _t= kT/q.

studfiles.net

2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)

Существуют два основных полупроводниковых приборов : диод и транзистор.

Диод.

В нястояшее время для выпрямления электрическигй тока в радиосхемах наряду

с двухэлектродными лампами вся больше применяют полупроводниках диоды, так

как они обладают рядом преимуществ. В электронной лампе носители заряда

электроны возникают за счет нагревания катода. В p-n переходе носители

заряда образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной

примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергии для

получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается

за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того,

полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока более

миниатюрны, чем ламповые.

Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния.

селена и других веществ. Рассмотрим как создается p-n переход при

использовании днорной примеси, этот переход не удастся получить путем

механического соеденения двух полупроводников различных типов, т.к. при

этом получается слишком большой зазор между полупроводииками.Эта толщина

должна быть не больше межатомных растояний. По этому в одну из поврхностей

образца вплавляют индий. Вследствие диффузии атомов индии индия в глубь

монокристалла германня у поверхности германия преобразуется область с

проводимцстью р-типа. Остальная часть образца германии, в которуй атомы

индмя нс проникли, по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между

областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом диоде германий служит

катодом, а индий — анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) и обратное (в)

подсоеденение диода.

Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратном соединении показана

на рисунке 2.

Заменили лампы, очень широко используются в техники, в основном для

выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.

Транзистор.

Рассмотрим один из видов транзистора из германия или кремния с введенными в

них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что

создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров) прослойка

полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа рис. 3.

Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристалле образуются

два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от

областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в

схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении

левый р—n переход является прямым и отделяет базу от области с

проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р –n

-перехода, в цепи эмиттер — база существовал бы ток, зависящий от

напряжения источников (батареи Б1 и источника переменного напря-

жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивление прямого пе-

рехода эмиттер — база. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в

схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базу от правой области с

проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы не было левого p—n-

перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю. Так как

сопротивление обратного перехода очень велико. При существовании же тока в

левом р —n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила тока в

коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжения

между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа — дырки

проникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-скольку

толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней

невелико, попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с

электронами базы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р—n-

переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для

дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь.

Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как

площадь сечения базы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше

сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески

равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током в эмиттере.

Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе , и это

сопротивление можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с

помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы

получим синхронное изменение напряжения на резисторе. При большом

сопротивление резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч

раз превышать изменение сигнала в цепи эмиттера.Это означает усиление

напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы,

мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепь

эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используются в технике.

studfiles.net

Лекция 2 Принципы работы полупроводниковых приборов и их применение Диоды

В пластине полупроводника, на границе между двумя слоями с различного рода электропроводностями, образуется электронно-дырочный переход, называе­мый также p-n-переходом или запирающим слоем. Этот слой обладает вентиль­ными свойствами, т. е. односторонней проводимостью. Это явление можно пояс­нить следующими положениями. Концентрация электронов в n-области во много раз больше, чем их концентрация в p-области, где они служат неосновными носи­телями заряда. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации — p-область. Здесь они рекомбинируют с дырками акцепторов и таким путем образуют пространственный (объемный) отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторов, не скомпенсированный положительным за­рядом дырок — основных носителей заряда в этой области.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается нескомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов доноров. Таким путем между двумя областями полупроводника возникает двойной слой пространственного заряда, обедненный основными носи­телями заряда. Из-за наличия пространственных зарядов возникает перепад электрического потенциала между p- и n-областями. Его называют потенциаль­ным барьером, а его величину — высотой потенциального барьера.

Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины, изготовленные из полупроводников с различной примесной проводи­мостью, так как между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя воздуха. Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными электропроводностями в одной пластине полупроводника. Такой двухслойный полупроводниковый прибор с p-n-переходом называется полупроводниковым диодом.

Если положительный полюс источника электроэнергии соединен с p-областью полупроводникового диода, а отрицательный — с n-областью, то электрическое поле источника ослабляет до малой величины действие пространственных заря­дов — снижает потенциальный барьер диода, вследствие чего резко возрастает диффузия и вместе с ней ток через p-n-переход. Такое включение полупроводникового диода называется прямым.

При обратном включении полупровод­никового диода, когда с p-областью соединен минус источ­ника напряжения, а с n-областью — плюс этого источника, внешнее поле усиливает поле пространственных зарядов и удаляет носители заряда с обеих сторон перехода. Через p-n-переход создается в этом случае лишь весьма малый ток, обусловленный движением неосновных носителей за­ряда. Но из-за этого тока обратное сопротивление полупроводникового диода является конечной величиной.

Прямое включение: Обратное включение:

У диодов в качестве одного из основных параметров используют обратный ток I_обр, который измеряют при опре­деленном значении обратного напряжения.

I = I(e— 1)

Закон изменения тока

Ста­билитроны

Полупроводни­ковые стабилитроны, назы­ваемые иногда опорными диодами, предназначены для стабилизации напряже­ний. Их работа основана на использовании явления электрического пробоя p-n-перехода при включении диода в обратном напра­влении.

Материалы, используемые для создания p-n-перехода стабилит­ронов, имеют высокую концентрацию примесей. При этом напряженность электрического поля в p-n-переходе значительно выше, чем у обычных диодов. При относительно небольших обратных напряжениях в p-n-переходе возникает сильное элек­трическое поле, вызывающее его электрический пробой. В этом режиме нагрев диода не носит лавинообразного характера. Поэтому электрический пробой не переходит в тепловой.

d

E = ~

U — напряжение стабилизации

В качестве примера на рисунке приведены вольт-амперные характеристики стабилитрона при различных температурах, показано условное обозначение стабилитронов.

studfiles.net