Проводимость полупроводников, р-n переход

Современная электроника – полупроводниковая, т.е. основным материалом, из которого изготавливаются электронные приборы, являются полупроводники. По способности проводить электрический ток полупроводники занимают промежуточное положение между диэлектриками, не проводящими ток (пластмассы, резина и др.) и проводниками, хорошо проводящими ток (медь, алюминий и другие металлы). Такое "промежуточное" положение полупроводников весьма удобно, поскольку специальными технологическими приемами (введением примесей и др.) можно смещать их свойства, как в сторону диэлектриков, так и в сторону проводников.

Из большого количества материалов, являющихся полупроводниками, в наибольшей степени предъявляемым требованиям отвечает кремний (силициум, Si). Из кремния изготавливается подавляющее большинство полупроводниковых приборов, начиная от простейших (диодов, транзисторов и др.) и заканчивая интегральными микросхемами (ИМС), включающими от нескольких десятков до миллионов компонентов. Одно из решающих преимуществ кремния, как исходного компонента электроники – достаточно высокая максимальная рабочая температура t_{max Si} » 150⁰ C.

Значительно реже в настоящее время в качестве исходного полупроводникового материала используется германий (Ge). Одна из основных причин – невысокая предельная рабочая температура t_{max Ge} » 80-85⁰ C.

Другие виды полупроводниковых материалов (соединения галлия и др.) используются для создания специальных разновидностей полупроводниковых приборов.

Собственная проводимость полупроводника. Связь между атомами кремния в кристалле полупроводника осуществляется валентными электронами. На внешней электронной орбите атом кремния содержит 4 валентных электрона. Каждый из них образует совместно с одним из электронов соседнего атома пару, движущуюся вокруг двух атомов – собственного и соседнего. Такая связь называется ковалентной.

При низких температурах практичес­ки все валентные электроны связаны с атомами. Но при внешнем электрическом воздействии на кристалл (освещении или на­гревании) некоторые электроны приобретают энергию, достаточную для разрыва валентных связей. Та­кие электроны становятся свободны­ми (см. рис.1.1).

У того атома, от которого внеш­ним воздействием электрон был пере­веден в свободное состояние, появи­лось вакантное место с недостающим электроном. Его называ­ют «дыркой». «Дырка» ведет себя как положительно заряженная частица. Какой-либо из электронов соседних атомов может занять вакантное мес­то, тогда «дырка» образуется в со­седнем атоме. Такой процесс проис­ходит многократно. Поэтому «дырка» блуждает по кристаллу, как и свободный электрон.

При повышении температуры по­лупроводника число свободных электронов, а, следовательно, и число «дырок» резко возрастает. Этим и объясняется уменьшение сопротив­ления полупроводника с повышением температуры.

Наличие «дырок» и свободных электронов в химически чистом полупроводнике обуславливает его собственную проводимость. Если к нему приложить электрическое напряжение, то через полупроводник потечет ток.

Приме­сная проводимость полупроводника. Свойства полупроводников силь­но зависят от вносимых в них примесей. Проводимость, обусловленная нали­чием примесей в полупроводни­ке, называется примесной проводи­мостью.

Пусть, например, в кристалл кремния внесена примесь атомов сурьмы, которые замещают в узлах кристаллической решетки часть атомов кремния. Пятива­лентный атом сурьмы вступает в ковалентные связи с четырьмя атома­ми кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях (см. рис.1.2).

Энергия, необходимая для разры­ва связи пятого валентного электро­на с атомом сурьмы, значительно меньше энер­гии, необходимой для отрыва элект­рона от атома кремния. Поэтому при комнатной температуре почти все эти электроны являются свободными, не связанными с атомами примеси.

Они обуславливают наличие у полупроводника примесной проводимости, которая значительно больше собственной проводимости. Так введение 0,001% сурьмы увеличивает проводимость полупроводника в 10⁴ раз. Необходимо отметить, что собственная и примесная проводимость существуют параллельно независимо друг от друга.  

Полупроводниковый крис­талл, в который внесена примесь и электроны служат основными носителями заряда, называются электронным полупроводником или полупроводником n-типа (от лат. negatives — отрицательный).

При введении в кристалл кремния небольшой примеси трехвалентного элемента, например индия, часть ато­мов кремния замещается этими ато­мами. Атом индия может осуществ­лять связь только с тремя соседни­ми атомами, а связь с четвертым ато­мом кремния оказывается незавер­шенной (см. рис. 1.3). Атом индия может за­хватывать электрон у одного из со­седних атомов кремния, чтобы ее укомплектовать. Захват электрона от одного из ато­мов кремния приводит к возникно­вению в нем «дырки». Таким образом, «дырка» способна перемещаться как носитель электрического заряда, обуславливая наличие примесной проводимости р – типа.

Полупровод­ники с примесью, в которых носителями заряда являются «ды­рки», называют полу­проводниками р-типа (от лат. positivus — положительный).

P- n переход . Для образования р-n-перехода в кристалле создаются две области – с дыроч­ной проводимостью и с элект­ронной проводимостью (см. рис. 1.4). На рис. 1.4 знаком Å  показаны "дырки" как положительные носители зарядов в р-области, а знаком q - свободные электроны в n-области.

 

n-область             р-область                   Е _{p- n}

                              а)                                                       б)

    а – начальный этап; б - конечный этап

 

Рис. 1.4. Образование р-n –перехода

 

При хаотическом движении (диффузии) часть электронов из n-области проходит границу раздела и попадает в р-область. Аналогично "дырки" из р-области проникают в n-область. Свободный электрон из n-области заполняет вакантное место в парноэлектронной связи одного из атомов примеси p-области. Будучи в исходном состоянии электрически нейтральным, после получения дополнительного электрона этот атом примеси оказывается отрицательно ионизированным, поскольку теперь суммарный отрицательный заряд его электронов больше положительного заряда ядра. Таким образом, на границе раздела, в р-области образуется тонкий слой неподвижных отрицательно ионизированных атомов примеси. Аналогичное явление имеет место в приграничной зоне n-области, где образуется тонкий слой положительно ионизированных атомов примеси.

Между ионизированными слоями атомов на границе раздела образуется разность потенциалов, являющаяся потенциальным барьером для дальнейшего передвижения дырок из р- в n-область, а электронов из n- в р-область. Эта разность потенциалов, величиной около (0,6 ¸ 0,8)В для кремния, создает на границе раздела электрическое поле напряженностью E_{p - n}, а сама зона ионизированных атомов именуется p-n–переходом. При подходе других свободных электронов из n-области к р-n–переходу полем E_{p - n} они отбрасываются назад, в n-область. Аналогично "дырки" из р-области не могут пройти р-n–переход (см. рис. 1.4,б, где знаками "+" и "-" обозначены ионизированные атомы). Поскольку в зоне p-n–перехода нет свободных носителей зарядов, то он фактически превращается в диэлектрик.

Прямое включение р- n–перехода. Если р-n-переход соединить с источником тока так, чтобы поло­жительный полюс был соединен с об­ластью с дырочной проводимостью, а отрицательный - с областью с электронной проводимостью, то пере­ход носителей зарядов через р-n-переход становится возможным.

Приложенное извне напряжение U _пр создает в р-n–переходе электрическое поле Е_пр, направленное встречно Е _{p - n}. Если Е_пр>Е _{p - n}, то дырки из р-области этим полем вталкиваются в р-n–переход и способны его пройти. Аналогично электроны n-области под воздействием Е_пр начинают проходить переход. Таким образом, появляется движение зарядов через кристалл, т.е. ток.

Сила тока через при напряжении, превышающем разность потенциалов в p-n-переходе ограничивается практически лишь сопротивле­нием внешней электрической цепи. Этот способ включения называется включением в пря­мом направлении. Величина U _пр, достаточная для преодоления действия р-n–перехода в кремнии составляет (0,6¸0,8)В.

 

E_пр

U_пр

       

Рис. 1.5. Прямое включение р-n–перехода

 

Обратное включение р- n–перехода. Если р-n-переход соединить с источником тока так, чтобы с его по­ложительным полюсом была соедине­на n-область, а с отрицательным – р-область, то электроны в n-полупро­воднике и «дырки» в р-полупроводнике удаляются от за­пирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину, поскольку приложенное извне напряжение U _обр создает в р-n-переходе электрическое поле Е_обр, совпадающее с направлением Е_{р- n}.

Сопротив­ление р-n-перехода велико, а сила тока мала. Этот способ включе­ния р-n-перехода называется включением в об­ратном направлении. Обратный ток в этом случае обусловлен собственной проводимостью полупроводника, т. е. наличием небольшой кон­центрации свободных электронов в р-полупроводнике и «дырок» в n-по­лупроводнике. Этот ток очень мал, однако сильно увеличивается с ростом температуры.

Таким образом, р-n–переход обладает односторонней проводимостью, хорошо пропуская ток в прямом направлении и плохо – в обратном.

E_обр

Е _{p- n}

N                            p

-            +

U_обр

Рис. 1.6. Обратное включение р-n–перехода

 

 

Диод, стабилитрон

Конструктивно диод представляет собою кристалл полупроводника, с выполненным в нем р-n–переходом, помещенный в корпус. Свойства диода практически полностью определяются свойствами р-n–перехода. Условное обозначение диода приведено на рис.1.7. Вывод из р-области кристалла называется анод, из n-области – катод.

 

а - принятое в России;

б, в - другие варианты обозначения.

 

Рис. 1.7. Условное графическое обозначение диода

 

Наиболее полно свойства диода отражаются его вольт-амперной характеристикой (ВАХ), изображаемой как для прямого, так и для обратного включений. С увеличением U _пр сопротивление запирающего слоя уменьшается. При напряжении более (0,6¸0,8) В запирающий слой практически исчезает и остается только сопротивление п- и р- областей, которое приближенно можно считать постоян­ным. Поэтому далее характеристика становится почти линейной, а прямой ток I _пр резко увеличивается с ростом U _пр. Если его не ограничить некоторой величиной I _прmax, кристалл перегреется, поскольку с его ростом увеличивается мощность, выделяемая в кристалле: Р_пр= I _пр U _пр. Явление разрушения полупроводника вследствие его перегрева именуется тепловой пробой.

При некотором значении обратного напряжения U _обрmax возникает электрический пробой p - n-перехода, при котором обратный ток резко возрастает, а сопротивление запи­рающего слоя резко уменьшается. Электрический пробой, область которого обозначена на рис. 1.8  буквами АБ, является обратимым, т. е. при этом пробое в переходе не происходит необратимых изменений (разрушений структуры вещества).

Если не ограничить обратный ток в режиме электрического пробоя, то он переходит в тепловой пробой, приводящий к разрушению кристалла (участок БВ на рис. 1.8). Поэтому, для обычного диода работа на участке АБВ характеристики недопустима, для чего U _обр не должно превышать U _обрmax.

Для улучшения охлаждения, диоды, рассчитанные на токи I _пр >1 А как правило устанавливаются на радиаторы. Наиболее мощные диоды, используемые в силовом электрооборудовании, могут дополнительно иметь принудительное воздушное охлаждение.

Необходимо отметить, что все полупроводниковые приборы и диоды в частности, имеют малую перегрузочную способность. Вследствие малой массы, кристалл полупроводника способен быстро нагреться до максимальной допускаемой температуры, если выделяемая на нем мощность превышает допустимую. тепловой пробой прибора может длиться всего (10…20) мс. Поэтому недопустимы даже кратковременные перегрузки. В этой связи, для защиты диодов (и других полупроводниковых приборов) от перегрузки или короткого замыкания в цепи нагрузки должны применяться быстродействующие элементы. Обычные автоматические выключатели или плавкие предохранители для этих целей непригодны.

Диоды в настоящее время являются самыми мощными из полупроводниковых приборов. Они выпускаются на значения I _{пр max} от десятков миллиампер до нескольких килоампер. Величина U _{обр max} может составлять от десятков вольт до нескольких киловольт.

Если напряжение в цепи превышает U _{обр. max} диода то применяется последовательное включение нескольких диодов (рис. 1.9).

 

 

Маркировка диодов выполняется по определенной системе. Например, марка диода КД202А, выпущенного в России, расшифровывается так: К – кремний; 2 - выпрямительный средней мощности; 02 – порядковый номер; А – модификация диода по U _{обр. max} или I _{пр. max}. Маркировка диода 1N2047, обозначенного по принятой в США системе, расшифровывается следующим образом: 1 - кол-во p-n переходов; N – знак-разделитель; 2047 – регистрационный номер.

Основное назначение диодов – выпрямление переменного тока. Они также широко используются в цепях автоматики для преобразования сигналов.

 

Стабилитрон (диод Зенера). Это разновидность диода, нормальным режимом которого является состояние электрического пробоя.

В режиме пробоя на стабилитроне поддерживается постоянное напряжение U _ст (рис. 1.10), при значительном изменении тока через него. Ток ограничивается внешними элементами и не должен превышать I _{ст. max}. Применяется в качестве источника эталонного или опорного напряжения, например, в блоках питания, в цифровых измерительных приборах, при обработке сигналов.

Существуют и другие разновидности диодов, обладающие специфическими свойствами: варикап, тунельный диод, и т.д. Их применение в судовой электронике ограничено.

 

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: