Com a descoberta dos semicondutores e o estudo de suas propriedades, tornou-se possível criar circuitos baseados em diodos e transistores. Logo, devido ao melhor desempenho e tamanho menor, eles substituíram os tubos de vácuo, então tornou-se possível produzir circuitos integrados baseados em elementos semicondutores.

O que são semicondutores

Definir semicondutores é caracterizá-los em termos de sua capacidade de conduzir corrente elétrica. Para essas substâncias cristalinas, a condutividade elétrica aumenta com o aumento da temperatura, exposição à luz e presença de várias impurezas.

Os semicondutores são de gap largo e estreito, o que determina as propriedades dos materiais semicondutores. O band gap, medido em elétron-volts (eV), determina a condutividade elétrica. Este parâmetro pode ser representado como a energia que um elétron precisa para penetrar na zona de corrente elétrica. Em média, para semicondutores, é 1 eV, pode ser mais ou menos.

Se a regularidade da rede cristalina dos semicondutores for violada por um átomo estranho, essa condutividade será uma impureza. Quando as substâncias semicondutoras se destinam a criar elementos de microcircuito, são adicionadas especialmente impurezas a elas, que formam acúmulos aumentados de buracos ou elétrons:

• doador - com maior valência, doa elétrons;
• aceptor - com uma valência mais baixa, retira elétrons, formando buracos.

Importante! O principal fator que afeta a condutividade elétrica dos condutores é a temperatura.

Como a condutividade é fornecida?

Exemplos de semicondutores são silício, germânio. Nos cristais dessas substâncias, os átomos têm ligações covalentes. À medida que a temperatura aumenta, alguns elétrons podem ser liberados. O átomo que perdeu um elétron torna-se então um íon carregado positivamente. E o elétron, não podendo passar para outro átomo devido à saturação das ligações, acaba ficando livre. Sob a influência de um campo elétrico, os elétrons liberados podem se mover em um fluxo direcionado.

Um íon que perdeu um elétron tende a “tirar” outro do átomo mais próximo. Se ele conseguir, então esse átomo já será parado por um íon, por sua vez, tentando substituir o elétron perdido. Assim, há um movimento de "buracos" (cargas positivas), que também podem se ordenar em um campo elétrico.

Um aumento da temperatura permite que os elétrons sejam liberados com mais energia, o que leva a uma diminuição na resistência do semicondutor e a um aumento na condutividade. Elétrons e buracos estão relacionados aproximadamente em proporções iguais em cristais puros, tal condutividade é chamada de intrínseca.

condutividade tipo p e tipo n

Os tipos de impureza de condutividade são divididos em:

1. tipo R. Formado após a adição de uma impureza aceitadora. A valência de impureza mais baixa causa a formação de um número maior de orifícios. Para o silício tetravalente, o boro trivalente pode servir como tal impureza;
2. tipo N. Se o antimônio pentavalente for adicionado ao silício, o número de elétrons portadores de carga negativa liberados no semicondutor aumentará.

Os elementos semicondutores funcionam principalmente com base nas características da junção p-n. Quando dois materiais com diferentes tipos de condutividade são colocados em contato, na fronteira entre eles, elétrons e buracos se interpenetram em zonas opostas.

Importante! O processo de intercâmbio de materiais semicondutores por portadores de carga positiva e negativa tem limites de tempo - antes da formação da camada de barreira.

Portadores de carga positiva e negativa se acumulam nas partes conectadas, em ambos os lados da linha de contato. A diferença de potencial resultante pode chegar a 0,6 V.

Quando um elemento com junção p-n entra em um campo elétrico, sua condutividade dependerá da conexão da fonte de alimentação (PS). Com "mais" na parte com condutividade p e "menos" na parte com condutividade n, a camada de bloqueio será destruída e a corrente fluirá através da junção. Se a fonte de alimentação for conectada de forma oposta, a camada de bloqueio aumentará ainda mais e deixará passar uma corrente elétrica de magnitude desprezível.

Importante! A junção P-n tem condutividade unilateral.

Uso de semicondutores

Com base nas propriedades dos semicondutores, foram criados vários dispositivos que são usados ​​em engenharia de rádio, eletrônica e outros campos.

Diodo

A condutância unidirecional dos diodos semicondutores determinou o escopo de sua aplicação - principalmente na retificação de corrente alternada. Outros tipos de diodos:

1. Túnel. Ele usa materiais semicondutores com um teor de impurezas tão grande que a largura da junção p-n diminui drasticamente e o efeito da ruptura do túnel se torna possível com a conexão direta. Usado em dispositivos de RF, geradores, equipamentos de medição;
2. Convertido. Um diodo túnel ligeiramente modificado. Com uma conexão direta, a tensão que o abre é muito menor em comparação com os diodos clássicos. Isso predetermina o uso de um diodo túnel para conversão de correntes de baixa tensão;
3. Varicap. Quando a junção p-n está fechada, sua capacitância é bastante alta. O varicap é usado como um capacitor, cuja capacitância pode ser variada alterando a tensão. A capacitância diminuirá se a tensão reversa aumentar;

1. Diodo Zener. Conectado em paralelo, estabiliza a tensão em uma determinada área;
2. Pulso. Devido a curtos transientes, eles são usados ​​para circuitos de RF pulsados;
3. Avalanche-voando. Usado para gerar oscilações de frequência ultra-alta. Baseia-se na multiplicação de portadores de carga semelhante a uma avalanche.

Este diodo não consiste em dois materiais semicondutores, em vez disso, o semicondutor está em contato com o metal. Como o metal não possui uma estrutura cristalina, não pode haver furos nele. Isso significa que no ponto de contato com o material semicondutor, apenas os elétrons de ambos os lados são capazes de penetrar, realizando a função de trabalho. Isso se torna possível quando:

• existe um semicondutor do tipo n e a função trabalho de seus elétrons é menor que a de um metal;
• existe um semicondutor do tipo p com uma função trabalho de seus elétrons maior que a de um metal.

No ponto de contato, o semicondutor perderá portadores de carga, sua condutividade diminuirá. Uma barreira é criada, que é superada por uma tensão direta do valor necessário. A tensão reversa praticamente bloqueia o diodo, que funciona como retificador. Devido à sua alta velocidade, os diodos Schottky são usados ​​em circuitos de pulso, em dispositivos de computação, eles também servem como diodos de potência para retificar uma corrente significativa.

Quase nenhum microcircuito pode ficar sem transistores, elementos semicondutores com duas junções p-n. O elemento transistor tem três contatos de saída:

• colecionador;
• base;
• emissor.

Se um sinal de controle de baixa potência for aplicado à base, muito mais corrente será passada entre o coletor e o emissor. Quando nenhum sinal é aplicado à base, nenhuma corrente é conduzida. Assim, a força atual pode ser ajustada. Um dispositivo é usado para amplificar o sinal e a comutação sem contato do circuito.

Tipos de transistores semicondutores:

1. Bipolar. Eles têm portadores de carga positiva e negativa. A corrente que flui é capaz de passar na direção direta e reversa. Usado como amplificadores;
2. Campo. Suas saídas são chamadas de dreno, fonte, porta. O controle é realizado por meio de um campo elétrico de uma certa polaridade. O sinal aplicado à porta pode alterar a condutância do transistor. Os portadores de carga em dispositivos de campo podem ter apenas um sinal: positivo ou negativo. Poderosos transistores de efeito de campo são usados ​​em amplificadores de áudio. Sua principal aplicação são os circuitos integrados. Dimensões compactas e baixo consumo de energia permitem instalá-los em dispositivos com fontes de baixa tensão (horas);
3. Combinado. Eles podem ser localizados junto com outros elementos de transistor, resistores em uma estrutura monolítica.

Dopagem de semicondutores

A dopagem é a introdução de elementos de impureza, doadores e aceitadores, em cristais semicondutores para controlar sua condutividade. Isso ocorre durante o período de crescimento do cristal ou por introdução local em certas zonas.

Métodos aplicados:

1. Difusão de alta temperatura. O cristal semicondutor é aquecido e os átomos de impureza que estão em contato com sua superfície caem nas profundezas. Em alguns locais da rede cristalina, os átomos de impureza substituem os átomos da substância principal;
2. Implantação iônica. Ocorre ionização e aceleração de átomos de impureza, que bombardeiam o cristal único, criando heterogeneidades locais e formando junções p-n;
3. irradiação a laser. A vantagem do método é que, por meio de radiação direcionada, seções individuais podem ser aquecidas a qualquer valor de temperatura, o que facilita a introdução de impurezas;
4. dopagem de nêutrons. Usado relativamente recentemente. Consiste em irradiar um único cristal com nêutrons térmicos em um reator, resultando em uma mutação dos núcleos atômicos. Os átomos de silício são convertidos em fósforo.

Existem outras formas de dopagem: ataque químico, criação de filmes finos por pulverização catódica.

Como são feitos os semicondutores?

O principal na obtenção de semicondutores é a purificação de impurezas desnecessárias. Entre as muitas formas de obtê-los, destacam-se duas das mais utilizadas:

1. Fusão da zona. O processo é realizado em um recipiente de quartzo selado, onde é fornecido um gás inerte. Uma zona estreita do lingote é derretida, que se move gradualmente. No processo de fusão, as impurezas são redistribuídas e recristalizadas, liberando uma parte pura;
2. Método Czochralski. Consiste em fazer crescer um cristal a partir de uma semente, puxando-o gradualmente para fora da composição fundida.

Variedades de materiais semicondutores

As diferenças na composição determinam o escopo dos semicondutores:

1. Simples - incluem substâncias homogêneas que são usadas de forma independente, bem como impurezas e partes constituintes de materiais complexos. Silício, selênio e germânio são usados ​​independentemente. Boro, antimônio, telúrio, arsênico, enxofre, iodo servem como aditivos;
2. Materiais complexos são compostos químicos de dois ou mais elementos: sulfetos, teluretos, carbonetos;
3. Óxidos de cobalto, cobre, európio são usados ​​em retificadores e fotocélulas;
4. Semicondutores orgânicos: indol, acridona, flavantron, pentaceno. Uma área de seu uso é a eletrônica óptica;
5. Semicondutores magnéticos. Estes são materiais ferromagnéticos, por exemplo, sulfeto e óxido de európio, bem como materiais antiferromagnéticos - óxido de níquel, telureto de európio. Eles são usados ​​em engenharia de rádio, dispositivos ópticos controlados por um campo magnético.

Agora é difícil nomear um campo de tecnologia onde não haveria materiais semicondutores usados, inclusive na ausência de uma junção p-n, por exemplo, resistência térmica em sensores de temperatura, fotorresistência em controles remotos e outros.

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Os semicondutores são uma ampla classe de substâncias caracterizadas por valores de condutividade elétrica que se situam na faixa entre a condutividade elétrica dos metais e os bons dielétricos, ou seja, essas substâncias não podem ser classificadas como dielétricas (já que não são bons isolantes) ou metais ( não são bons condutores de eletricidade). Os semicondutores, por exemplo, incluem substâncias como germânio, silício, selênio, telúrio, bem como alguns óxidos, sulfetos e ligas metálicas.

Propriedades:

1) Com o aumento da temperatura, a resistividade dos semicondutores diminui, ao contrário dos metais, nos quais a resistividade aumenta com o aumento da temperatura. Além disso, via de regra, em uma ampla faixa de temperatura, esse aumento ocorre exponencialmente. A resistividade dos cristais semicondutores também pode diminuir quando expostos à luz ou a campos eletrônicos fortes.

2) A propriedade de condução unilateral do contato de dois semicondutores. É essa propriedade que é usada para criar uma variedade de dispositivos semicondutores: diodos, transistores, tiristores, etc.

3) Contatos de vários semicondutores sob certas condições, quando iluminados ou aquecidos, são fontes de foto-e. d.s. ou, respectivamente, thermo-e. d.s.

Os semicondutores diferem de outras classes de sólidos em muitas características específicas, sendo as mais importantes:

1) coeficiente de temperatura positivo de condutividade elétrica, ou seja, com o aumento da temperatura, a condutividade elétrica dos semicondutores aumenta;

2) a condutividade específica dos semicondutores é menor que a dos metais, mas maior que a dos isolantes;

3) grandes valores de força termoeletromotriz em comparação com metais;

4) alta sensibilidade das propriedades do semicondutor à radiação ionizante;

5) a capacidade de uma mudança acentuada nas propriedades físicas sob a influência de concentrações insignificantes de impurezas;

6) o efeito da retificação de corrente ou comportamento não ôhmico nos contatos.

3. Processos físicos em p-n - transição.

O principal elemento da maioria dos dispositivos semicondutores é a junção elétron-buraco ( distrito junção), que é uma camada de transição entre duas regiões de um semicondutor, uma das quais tem condutividade elétrica eletrônica e a outra tem condutividade de furo.

Educação pn transição. Pn transição de equilíbrio

Vamos dar uma olhada no processo de educação pn transição. O estado de equilíbrio é chamado de estado de transição quando não há tensão externa. Lembre-se que em R- região existem dois tipos de portadores de carga principais: íons carregados negativamente imóveis de átomos de impureza aceitadores e buracos carregados positivamente livres; e em n Há também dois tipos de portadores de carga principais: íons de carga positiva imóveis de átomos de impureza aceitadores e elétrons livres de carga negativa.

Antes do toque p e n regiões, elétrons, buracos e íons de impurezas são distribuídos uniformemente. Em contato na fronteira p e n regiões, surge um gradiente de concentração de portadores de carga livre e difusão. Sob a ação da difusão, os elétrons de n-a área vai para p e recombina lá com buracos. buracos de R-as áreas vão para n região e recombinar com os elétrons lá. Como resultado de tal movimento de portadores de carga livre na região de fronteira, sua concentração diminui quase a zero e, ao mesmo tempo, R região, uma carga espacial negativa de íons de impurezas aceptoras é formada, e em n-região de carga espacial positiva de íons de impurezas doadoras. Entre essas cargas existe uma diferença de potencial de contato φ para e campo elétrico E para, que impede a difusão de portadores de carga livre da profundidade R- e n-áreas através p-n- transição. Assim, a região unida por portadores de carga livre com seu campo elétrico é chamada p-n- transição.

Pn A transição é caracterizada por dois parâmetros principais:

1. Altura potencial da barreira. É igual à diferença de potencial de contato φ para. Esta é a diferença de potencial na transição devido ao gradiente de concentração dos portadores de carga. Esta é a energia que uma carga gratuita deve ter para superar a barreira potencial:

Onde ké a constante de Boltzmann; eé a carga do elétron; T- temperatura; N / D e N D são as concentrações de aceptores e doadores nas regiões de buracos e elétrons, respectivamente; p p e p n são as concentrações de buracos R- e n-áreas respectivamente; eu - própria concentração de portadores de carga em um semicondutor não dopado,  t \u003d kT / e- potencial de temperatura. A uma temperatura T\u003d 27 0 С  t=0,025V, para transição de germânio  para=0,6V, para junção de silício  para\u003d 0,8V.

2. largura da junção p-n(Fig. 1) é uma região de fronteira empobrecida em portadores de carga, que está localizada em p e náreas: lp-n = lp + ln:

Daqui,

Onde ε é a permissividade relativa do material semicondutor; ε 0 é a constante dielétrica do espaço livre.

A espessura das transições elétron-buraco é da ordem de (0,1-10) µm. Se , então e pn-transição é chamada simétrica, se , então e pn- a transição é chamada de assimétrica e localiza-se principalmente na região do semicondutor com menor concentração de impurezas.

No estado de equilíbrio (sem tensão externa) através distrito transição, duas contracorrentes de cargas se movem (duas correntes fluem). Estas são a corrente de deriva dos portadores de carga minoritários e a corrente de difusão, que está associada aos portadores de carga majoritários. Como não há tensão externa e não há corrente no circuito externo, a corrente de deriva e a corrente de difusão são mutuamente equilibradas e a corrente resultante é zero

I dr + I diff = 0.

Essa relação é chamada de condição de equilíbrio dinâmico dos processos de difusão e deriva em um ambiente isolado (equilíbrio). pn-transição.

A superfície em que eles estão em contato p e nárea é chamada de fronteira metalúrgica. Na realidade, tem uma espessura finita - δm. Se um δm<< l p-n , então pn A transição é chamada de aguda. Se δm >> lp-n, então pn A transição é chamada de suave.

Р-n transição em uma tensão externa aplicada a ele

A tensão externa perturba o equilíbrio dinâmico das correntes em pn-transição. Pn- a transição entra em um estado de não equilíbrio. Dependendo da polaridade da tensão aplicada às áreas em pn-transição possíveis dois modos de operação.

1) Viés para frentepn transição. R-n- a junção é considerada polarizada diretamente se o pólo positivo da fonte de alimentação estiver conectado a R-região, e negativo para n- áreas (Fig. 1.2)

Com polarização direta, as tensões  para e U são direcionadas de forma oposta, a tensão resultante em pn-transição diminui para o valor  para - VOCÊ. Isso leva ao fato de que a intensidade do campo elétrico diminui e o processo de difusão dos principais portadores de carga é retomado. Além disso, o deslocamento para frente reduz a largura pn transição, porque lp-n ≈( a - U) 1/2. A corrente de difusão, a corrente dos principais portadores de carga, torna-se muito maior do que a corrente de deriva. Pela pn-transição de fluxos de corrente contínua

I p-n \u003d I pr \u003d I diff + I dr I diferencial .

Quando uma corrente contínua flui, os portadores de carga majoritários na região p passam para a região n, onde se tornam menores. O processo de difusão de introdução de portadores de carga majoritários em uma região onde eles se tornam minoritários é chamado de injeção, e corrente contínua - corrente de difusão ou corrente de injeção. Para compensar os portadores de carga minoritários acumulados nas regiões p e n, uma corrente de elétrons é gerada no circuito externo a partir de uma fonte de tensão, ou seja, o princípio da eletroneutralidade é preservado.

Com um aumento você a corrente aumenta acentuadamente, - o potencial de temperatura, e pode atingir grandes valores. associados aos principais transportadores, cuja concentração é alta.

2) polarização inversa, ocorre quando R-a área é aplicada um menos, e para n-area plus, uma fonte de tensão externa (Fig. 1.3).

Essa tensão externa você incluído de acordo com  para. It: aumenta a altura da barreira potencial para um valor  para + você; a intensidade do campo elétrico aumenta; largura pn transição aumenta, porque l p-n ≈( para + U) 1/2; o processo de difusão pára completamente e após pn fluxos de transição corrente de deriva, corrente de portadora minoritária. tal corrente pn- a transição é chamada de reversa e, como está associada a portadores de carga menores que surgem devido à geração térmica, é chamada de corrente térmica e denotada - eu 0, ou seja

I p-n \u003d I arr \u003d I diff + I dr I dr \u003d I 0.

Esta corrente é pequena em magnitude. associados a portadores de carga minoritários, cuja concentração é baixa. Nesse caminho, pn transição tem condutividade unilateral.

Com um viés reverso, a concentração de portadores de carga minoritários no limite de transição diminui um pouco em comparação com o equilíbrio. Isso leva à difusão de portadores de carga minoritários da profundidade p e n-áreas até a fronteira pn transição. Ao alcançá-lo, os portadores minoritários caem em um forte campo elétrico e são transferidos através pn transição, onde se tornam os portadores majoritários de carga. Difusão de portadores de carga menores para o limite pn transição e deriva através dela para a região onde eles se tornam os principais portadores de carga é chamado Extração. Extração e cria uma corrente reversa pn transição é a corrente de portadores de carga menores.

A magnitude da corrente reversa é altamente dependente de: temperatura ambiente, material semicondutor e área pn transição.

A dependência da temperatura da corrente reversa é determinada pela expressão , onde é a temperatura nominal, é a temperatura real, é a temperatura de duplicação da corrente térmica.

A corrente térmica da junção de silício é muito menor do que a corrente térmica da junção à base de germânio (em 3-4 ordens de magnitude). Está conectado com  para material.

Com o aumento da área de transição, seu volume aumenta e, consequentemente, o número de portadores minoritários aparecendo como resultado da geração térmica e do aumento da corrente térmica.

Assim, a propriedade principal pn-transição é a sua condução unidirecional.

4. Característica corrente-tensão p-n - transição.

Obtemos a característica corrente-tensão da junção p-n. Para fazer isso, escrevemos a equação de continuidade na forma geral:

Vamos considerar o caso estacionário dp/dt = 0.

Considere a corrente no volume quase neutro de um semicondutor tipo n à direita da região empobrecida da junção p-n (x > 0). A taxa de geração G em um volume quase neutro é zero: G = 0. O campo elétrico E também é zero: E = 0. A componente de deriva da corrente também é zero: I E = 0, portanto, a corrente é difusão. A taxa de recombinação R em um baixo nível de injeção é descrita pela relação:

Vamos usar a seguinte relação relacionando o coeficiente de difusão, comprimento de difusão e tempo de vida do portador minoritário: Dτ = L p 2 .

Levando em conta as suposições acima, a equação de continuidade tem a forma:

As condições de contorno para a equação de difusão na junção p-n são:

A solução da equação diferencial (2.58) com condições de contorno (*) tem a forma:

A relação (2.59) descreve a lei de distribuição de buracos injetados no volume quase neutro de um semicondutor tipo n para uma transição elétron-buraco (Fig. 2.15). Todos os portadores que cruzaram o limite do SCR com um volume quase neutro da junção p-n participam da corrente de junção p-n. Como toda a corrente é difusão, substituindo (2.59) na expressão da corrente, obtemos (Fig. 2.16):

A Relação (2.60) descreve o componente de difusão da corrente do buraco da junção p-n, que surge durante a injeção de portadores minoritários sob polarização direta. Para o componente eletrônico da corrente de junção p-n, obtemos similarmente:

Em V G = 0, os componentes de deriva e difusão se equilibram. Consequentemente, .

A corrente de junção p-n total é a soma de todos os quatro componentes de corrente de junção p-n:

A expressão entre parênteses tem o significado físico da corrente reversa da junção p-n. De fato, em tensões negativas V G< 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:

Arroz. 2.15. Distribuição de portadores de não equilíbrio injetados do emissor sobre o volume quase neutro da base da junção p-n

É fácil ver que esta relação é equivalente àquela obtida anteriormente na análise da equação de continuidade.

Se for necessário realizar a condição de injeção unilateral (por exemplo, apenas injeção de furos), então segue da relação (2.61) que um pequeno valor da concentração de portadores minoritários n p0 na região p deve ser escolhido. Segue-se que o semicondutor tipo p deve ser fortemente dopado em comparação com o semicondutor tipo n: N A >> N D . Neste caso, a componente de furo dominará na corrente de junção p-n (Fig. 2.16).

Arroz. 2.16. Correntes em uma junção p-n de terminação simples com polarização direta

Assim, a característica I-V da junção p-n tem a forma:

A densidade de corrente de saturação J s é:

A transição CVC p-n, descrita pela relação (2.62), é mostrada na Figura 2.17.

Arroz. 2.17. Característica corrente-tensão de uma junção p-n ideal

Como segue da relação (2.16) e da Figura 2.17, a característica corrente-tensão de uma junção p-n ideal tem uma forma assimétrica pronunciada. Na região das tensões diretas, a corrente da junção p-n é difusão e aumenta exponencialmente com o aumento da tensão aplicada. Na região de tensões negativas, a corrente de junção p-n é drift e não depende da tensão aplicada.

5. Capacitância p-n - junção.

Qualquer sistema em que a carga elétrica Q muda quando o potencial φ muda tem uma capacitância. O valor de capacitância C é determinado pela razão: .

Para a junção p-n, dois tipos de cargas podem ser distinguidos: a carga na região da carga espacial dos doadores e aceptores ionizados QB e a carga dos portadores injetados na base do emissor Qp. Com diferentes polarizações na junção p-n, uma ou outra carga dominará ao calcular a capacitância. A este respeito, para a capacitância da junção p-n, são distinguidas a capacitância de barreira C B e a capacitância de difusão C D.

A capacitância de barreira C B é a capacitância da junção p-n na polarização reversa V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

O valor de carga de doadores e aceitadores ionizados Q B por unidade de área para uma junção p-n assimétrica é:

Diferenciando a expressão (2.65), obtemos:

Segue-se da equação (2.66) que a capacitância de barreira C B é a capacitância de um capacitor plano, cuja distância entre as placas é igual à largura da região de carga espacial W. Como a largura do SCR depende da tensão aplicada V G, a capacitância da barreira também depende da tensão aplicada. As estimativas numéricas da capacitância da barreira mostram que seu valor é de dezenas ou centenas de picofarads.

A capacitância de difusão C D é a capacitância de uma junção p-n em uma polarização direta V G > 0, devido a uma mudança na carga Qp dos portadores injetados na base do emissor Qp.

A dependência da capacitância de barreira C B da tensão reversa aplicada V G é usada para implementação instrumental. Um diodo semicondutor que implementa essa dependência é chamado de varicap. O valor máximo de capacitância do varicap está na tensão zero V G . À medida que a polarização reversa aumenta, a capacitância do varicap diminui. A dependência funcional da capacitância do varicap em relação à tensão é determinada pelo perfil de dopagem da base do varicap. No caso de dopagem uniforme, a capacitância é inversamente proporcional à raiz da tensão aplicada V G . Ao definir o perfil de dopagem na base do varicap N D (x), pode-se obter várias dependências da capacitância do varicap na tensão C(V G) - diminuindo linearmente, diminuindo exponencialmente.

6. Diodos semicondutores: classificação, características de projeto, símbolos e marcação.

diodo semicondutor- um dispositivo semicondutor com uma junção elétrica e dois condutores (eletrodos). Ao contrário de outros tipos de diodos, o princípio de operação de um diodo semicondutor é baseado no fenômeno pn-transição.

Olá caros leitores do site. O site tem uma seção dedicada a radioamadores iniciantes, mas até agora não escrevi nada para iniciantes que estão dando seus primeiros passos no mundo da eletrônica. Preencho essa lacuna e, a partir deste artigo, começamos a nos familiarizar com o dispositivo e a operação dos componentes de rádio (componentes de rádio).

Vamos começar com dispositivos semicondutores. Mas para entender como funciona um diodo, tiristor ou transistor, é preciso entender o que semicondutor. Portanto, primeiro estudaremos a estrutura e as propriedades dos semicondutores no nível molecular e, em seguida, lidaremos com a operação e o projeto dos componentes de rádio semicondutores.

Conceitos gerais.

Por que exatamente semicondutor diodo, transistor ou tiristor? Como a base desses componentes de rádio é semicondutores Substâncias capazes de conduzir corrente elétrica e impedir sua passagem.

Este é um grande grupo de substâncias usadas em engenharia de rádio (germânio, silício, selênio, óxido de cobre), mas para a fabricação de dispositivos semicondutores, eles usam principalmente apenas Silício(Si) e Germânio(Gê).

De acordo com suas propriedades elétricas, os semicondutores ocupam um lugar intermediário entre condutores e não condutores de corrente elétrica.

Propriedades dos semicondutores.

A condutividade elétrica dos condutores é altamente dependente da temperatura ambiente.
Em muito baixo temperaturas próximas do zero absoluto (-273°C), semicondutores não realize corrente elétrica e promoção temperatura, sua resistência à corrente diminui.

Se você apontar para o semicondutor leve, então sua condutividade elétrica começa a aumentar. Usando esta propriedade dos semicondutores, foram criados fotovoltaico aparelhos. Os semicondutores também são capazes de converter energia luminosa em corrente elétrica, por exemplo, painéis solares. E quando introduzido em semicondutores impurezas certas substâncias, sua condutividade elétrica aumenta drasticamente.

A estrutura dos átomos semicondutores.

O germânio e o silício são os principais materiais de muitos dispositivos semicondutores e têm quatro elétron de valência.

Átomo Alemanhaé composto de 32 elétrons, e um átomo silício de 14. Mas apenas 28 elétrons do átomo de germânio e 10 os elétrons do átomo de silício, localizados nas camadas internas de suas camadas, são firmemente mantidos pelos núcleos e nunca saem deles. Apenas quatro os elétrons de valência dos átomos desses condutores podem ficar livres, e mesmo assim nem sempre. E se um átomo semicondutor perde pelo menos um elétron, então ele se torna íon positivo.

Em um semicondutor, os átomos são organizados em uma ordem estrita: cada átomo é cercado por quatro os mesmos átomos. Além disso, eles estão localizados tão próximos um do outro que seus elétrons de valência formam órbitas únicas que passam em torno de átomos vizinhos, ligando assim os átomos em uma única substância inteira.

Vamos representar a interconexão de átomos em um cristal semicondutor na forma de um diagrama plano.
No diagrama, as bolas vermelhas com um sinal de mais, convencionalmente, denotam núcleos de átomos(íons positivos), e as bolas azuis são elétrons de valência.

Aqui você pode ver que ao redor de cada átomo estão localizados quatro exatamente os mesmos átomos, e cada um desses quatro tem uma conexão com outros quatro átomos, e assim por diante. Cada um dos átomos está conectado a cada um dos vizinhos dois elétrons de valência, e um elétron é seu e o outro é emprestado de um átomo vizinho. Essa ligação é chamada de ligação de dois elétrons. covalente.

Por sua vez, a camada externa da camada eletrônica de cada átomo contém oito elétrons: quatro seus próprios, e sozinho, emprestado de quatro vizinhoátomos. Aqui não é mais possível distinguir qual dos elétrons de valência do átomo é "próprio" e qual é "estrangeiro", pois eles se tornaram comuns. Com tal ligação de átomos em toda a massa de um cristal de germânio ou silício, podemos supor que um cristal semicondutor é um grande molécula. Na figura, os círculos rosa e amarelo mostram a conexão entre as camadas externas das conchas de dois átomos vizinhos.

Condutividade elétrica de semicondutores.

Considere um desenho simplificado de um cristal semicondutor, onde os átomos são indicados por uma bola vermelha com um sinal de mais, e as ligações interatômicas são mostradas por duas linhas simbolizando os elétrons de valência.

A uma temperatura próxima do zero absoluto, um semicondutor não conduz atual, pois não tem elétrons livres. Mas com o aumento da temperatura, a ligação dos elétrons de valência com os núcleos dos átomos enfraquece e alguns dos elétrons, devido ao movimento térmico, podem deixar seus átomos. O elétron que escapa da ligação interatômica torna-se " gratuitamente", e onde ele estava antes, forma-se um lugar vazio, que se convencionou chamar buraco.

Quão acima de temperatura do semicondutor, a mais torna-se elétrons livres e buracos. Como resultado, verifica-se que a formação de um "buraco" está associada à saída de um elétron de valência da camada de um átomo, e o próprio buraco se torna positivo carga elétrica igual a negativo carga de um elétron.

Agora vamos olhar para a figura, que mostra esquematicamente o fenômeno da ocorrência de corrente em um semicondutor.

Se você aplicar alguma tensão ao semicondutor, os contatos "+" e "-", uma corrente aparecerá nele.
Devido a fenômenos térmicos, em um cristal semicondutor de ligações interatômicas começará ser liberado algum número de elétrons (bolas azuis com setas). Os elétrons são atraídos positivo pólo da fonte de tensão será jogada em direção a ele, deixando para trás furos, que será preenchido por outros elétrons liberados. Ou seja, sob a ação de um campo elétrico externo, os portadores de carga adquirem uma certa velocidade de movimento direcional e, assim, criam eletricidade.

Por exemplo: o elétron liberado mais próximo do pólo positivo da fonte de tensão atraído este pólo. Quebrando a ligação interatômica e deixando-a, o elétron folhas depois de mim buraco. Outro elétron liberado, que está localizado em algum remoção do pólo positivo, também atraído pólo e em movimento em direção a ele, mas tendo conhecido um buraco em seu caminho, é atraído por ele essencialátomo, restaurando a ligação interatômica.

O resultado novo buraco após o segundo elétron, preenche o terceiro elétron liberado, localizado próximo a este buraco (Figura nº 1). Por sua vez furos, que estão mais próximos de negativo pólo, preenchido com outros elétrons liberados(Figura nº 2). Assim, uma corrente elétrica surge no semicondutor.

Enquanto o semicondutor operar campo elétrico, Este processo contínuo: ligações interatômicas são quebradas - elétrons livres aparecem - buracos são formados. As lacunas são preenchidas com elétrons liberados - ligações interatômicas são restauradas, enquanto outras ligações interatômicas são quebradas, das quais os elétrons saem e preenchem as seguintes lacunas (Figura No. 2-4).

Disso concluímos: os elétrons se movem do pólo negativo da fonte de tensão para o positivo, e as lacunas se movem do pólo positivo para o negativo.

Condutividade elétron-buraco.

Em um cristal semicondutor "puro", o número lançado elétrons no momento é igual ao número emergente neste caso, há buracos, então a condutividade elétrica de tal semicondutor pequena, uma vez que fornece uma corrente elétrica grande resistência, e esta condutividade elétrica é chamada ter.

Mas se adicionarmos ao semicondutor na forma impurezas um certo número de átomos de outros elementos, então sua condutividade elétrica aumentará significativamente e, dependendo estruturasátomos de elementos de impureza, a condutividade elétrica do semicondutor será eletrônico ou perfurado.

condutividade eletrônica.

Suponha que, em um cristal semicondutor, no qual os átomos têm quatro elétrons de valência, substituímos um átomo por um átomo no qual cinco elétrons de valência. Este átomo quatro elétrons se ligarão a quatro átomos vizinhos do semicondutor, e quinto o elétron de valência permanecerá supérfluo' significa grátis. E então mais mais serão elétrons livres, o que significa que tal semicondutor se aproximará de um metal em suas propriedades e, para que uma corrente elétrica passe por ele, ele ligações interatômicas não precisam ser destruídas.

Semicondutores com tais propriedades são chamados de semicondutores com condutividade do tipo " n", ou semicondutores n-modelo. Aqui a letra latina n vem da palavra "negativo" (negativo) - isto é, "negativo". Segue que em um semicondutor n-modelo a Principal portadores de carga são - elétrons, e não os principais - buracos.

condução do furo.

Tomemos o mesmo cristal, mas agora substituiremos seu átomo por um átomo no qual apenas três elétron livre. Com seus três elétrons, ele só se ligará com trêsátomos vizinhos, e para se ligar ao quarto átomo, ele não terá 1 elétron. Como resultado, forma-se buraco. Naturalmente, ele será preenchido com qualquer outro elétron livre próximo, mas, em qualquer caso, não haverá tal semicondutor no cristal. agarrar elétrons para preencher as lacunas. E então mais haverá tais átomos no cristal, então mais haverá buracos.

Para que os elétrons livres sejam liberados e se movam em tal semicondutor, as ligações de valência entre os átomos devem ser destruídas. Mas os elétrons ainda não serão suficientes, pois o número de buracos sempre será mais número de elétrons em um dado instante.

Esses semicondutores são chamados de semicondutores com perfurado condutividade ou condutores p-type, que em latim "positivo" significa "positivo". Assim, o fenômeno da corrente elétrica em um cristal semicondutor do tipo p é acompanhado por um emergência e desaparecimento cargas positivas são buracos. E isso significa que em um semicondutor p-modelo a Principal portadores de carga são furos, e não básicos - elétrons.

Agora que você tem alguma compreensão dos fenômenos que ocorrem em semicondutores, não será difícil para você entender o princípio de operação dos componentes de rádio semicondutores.

Vamos parar com isso, e consideraremos o dispositivo, o princípio de operação do diodo, analisaremos sua característica de corrente-tensão e circuitos de comutação.
Boa sorte!

Fonte:

1 . Borisov V. G. - Um jovem radioamador. 1985
2 . Site academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Quais são suas características? Qual é a física dos semicondutores? Como eles são construídos? O que é condutividade de semicondutor? Que propriedades físicas eles têm?

O que é um semicondutor?

Isso se refere a materiais cristalinos que não conduzem eletricidade tão bem quanto os metais. Mas ainda assim, esse indicador é melhor que os isoladores. Tais características se devem ao número de operadoras de celular. De um modo geral, há uma forte ligação aos núcleos. Mas quando vários átomos são introduzidos no condutor, por exemplo, o antimônio, que possui excesso de elétrons, essa situação será corrigida. Ao usar o índio, são obtidos elementos com carga positiva. Todas essas propriedades são amplamente utilizadas em transistores - dispositivos especiais que podem amplificar, bloquear ou passar corrente em apenas uma direção. Se considerarmos um elemento do tipo NPN, podemos notar um papel amplificador significativo, que é especialmente importante na transmissão de sinais fracos.

Características de projeto possuídas por semicondutores elétricos

Os condutores têm muitos elétrons livres. Os isoladores praticamente não os possuem. Os semicondutores, por outro lado, contêm uma certa quantidade de elétrons livres e lacunas com carga positiva, que estão prontas para receber as partículas liberadas. E o mais importante, todos eles conduzem.O tipo de transistor NPN discutido anteriormente não é o único elemento semicondutor possível. Portanto, também existem transistores PNP, além de diodos.

Se falarmos brevemente sobre o último, esse é um elemento que pode transmitir sinais em apenas uma direção. Um diodo também pode transformar corrente alternada em corrente contínua. Qual é o mecanismo de tal transformação? E por que ele só se move em uma direção? Dependendo de onde a corrente vem, elétrons e lacunas podem divergir ou ir em direção um ao outro. No primeiro caso, devido ao aumento da distância, o fornecimento é interrompido e, portanto, a transferência de portadores de tensão negativa é realizada apenas em uma direção, ou seja, a condutividade dos semicondutores é unilateral. Afinal, a corrente só pode ser transmitida se as partículas constituintes estiverem próximas. E isso só é possível quando a corrente é aplicada de um lado. Esses tipos de semicondutores existem e são usados ​​atualmente.

Estrutura da banda

As propriedades elétricas e ópticas dos condutores estão relacionadas ao fato de que, quando os níveis de energia são preenchidos com elétrons, eles são separados dos estados possíveis por um band gap. Quais são as características dela? O fato é que não há níveis de energia no band gap. Com a ajuda de impurezas e defeitos estruturais, isso pode ser alterado. A banda mais alta completamente preenchida é chamada de banda de valência. Em seguida, segue o permitido, mas vazio. É chamada de banda de condução. A física de semicondutores é um tópico bastante interessante e, no âmbito do artigo, será bem abordado.

Estado do elétron

Para isso, são utilizados conceitos como o número da zona permitida e o quasi-momentum. A estrutura do primeiro é determinada pela lei de dispersão. Ele diz que é afetado pela dependência da energia no quase-momento. Portanto, se a banda de valência estiver completamente preenchida com elétrons (que carregam carga em semicondutores), eles dizem que não há excitações elementares nela. Se por algum motivo não houver partícula, isso significa que uma quase-partícula carregada positivamente apareceu aqui - uma lacuna ou um buraco. Eles são portadores de carga em semicondutores na banda de valência.

Zonas degeneradas

A banda de valência em um condutor típico é seis vezes degenerada. Isso sem levar em conta a interação spin-órbita e somente quando o quase-momento é zero. Ele pode ser dividido sob a mesma condição em bandas duplamente e quádruplas degeneradas. A distância de energia entre eles é chamada de energia de divisão spin-órbita.

Impurezas e defeitos em semicondutores

Eles podem ser eletricamente inativos ou ativos. A utilização do primeiro permite obter uma carga positiva ou negativa em semicondutores, que pode ser compensada pelo aparecimento de uma lacuna na banda de valência ou de um elétron na banda condutora. Impurezas inativas são neutras e têm relativamente pouco efeito sobre as propriedades eletrônicas. Além disso, muitas vezes pode importar a valência dos átomos que participam do processo de transferência de carga e a estrutura

Dependendo do tipo e quantidade de impurezas, a relação entre o número de buracos e elétrons também pode mudar. Portanto, os materiais semicondutores devem sempre ser cuidadosamente selecionados para obter o resultado desejado. Isso é precedido por um número significativo de cálculos e, posteriormente, experimentos. As partículas que mais se referem como portadoras de carga majoritária são não primárias.

A introdução dosada de impurezas em semicondutores permite obter dispositivos com as propriedades requeridas. Defeitos em semicondutores também podem estar em um estado elétrico inativo ou ativo. Deslocamento, átomo intersticial e vacância são importantes aqui. Condutores líquidos e não cristalinos reagem de maneira diferente às impurezas do que os cristalinos. A ausência de uma estrutura rígida acaba resultando no fato de que o átomo deslocado recebe uma valência diferente. Será diferente daquele com o qual ele inicialmente satura seus laços. Torna-se inútil para um átomo dar ou adicionar um elétron. Nesse caso, ele se torna inativo e, portanto, os semicondutores dopados têm uma grande chance de falha. Isso leva ao fato de que é impossível alterar o tipo de condutividade com a ajuda de dopagem e criar, por exemplo, uma junção p-n.

Alguns semicondutores amorfos podem alterar suas propriedades eletrônicas sob a influência da dopagem. Mas isso se aplica a eles em muito menor grau do que aos cristalinos. A sensibilidade dos elementos amorfos à dopagem pode ser melhorada pelo processamento. Por fim, gostaria de observar que, graças a um longo e árduo trabalho, os semicondutores dopados ainda são representados por uma série de resultados com boas características.

Estatística de elétrons em um semicondutor

Quando existe, o número de buracos e elétrons é determinado apenas pela temperatura, pelos parâmetros da estrutura da banda e pela concentração de impurezas eletricamente ativas. Quando a razão é calculada, assume-se que algumas das partículas estarão na banda de condução (no nível do aceptor ou doador). Também leva em consideração o fato de que uma parte pode sair do território de valência, e aí se formam lacunas.

Condutividade elétrica

Nos semicondutores, além dos elétrons, os íons também podem atuar como portadores de carga. Mas sua condutividade elétrica na maioria dos casos é insignificante. Como exceção, apenas supercondutores iônicos podem ser citados. Existem três mecanismos principais de transferência de elétrons em semicondutores:

1. Zona principal. Neste caso, o elétron entra em movimento devido a uma mudança em sua energia dentro do mesmo território permitido.
2. Transferência de salto sobre estados localizados.
3. Polaron.

excitação

Um buraco e um elétron podem formar um estado ligado. É chamado de exciton de Wannier-Mott. Neste caso, que corresponde à borda de absorção, diminui pelo tamanho da ligação. Com energia suficiente, uma quantidade significativa de excitons pode se formar em semicondutores. À medida que sua concentração aumenta, ocorre a condensação e um líquido elétron-buraco é formado.

Superfície semicondutora

Essas palavras denotam várias camadas atômicas que estão localizadas perto da borda do dispositivo. As propriedades da superfície são diferentes das propriedades em massa. A presença dessas camadas quebra a simetria translacional do cristal. Isso leva aos chamados estados de superfície e polaritons. Desenvolvendo o tema deste último, deve-se também informar sobre o spin e as ondas vibracionais. Devido à sua atividade química, a superfície é coberta com uma camada microscópica de moléculas ou átomos estranhos que foram adsorvidos do meio ambiente. Eles determinam as propriedades dessas várias camadas atômicas. Felizmente, a criação da tecnologia de ultra-alto vácuo, na qual são criados elementos semicondutores, permite obter e manter uma superfície limpa por várias horas, o que tem um efeito positivo na qualidade dos produtos resultantes.

Semicondutor. A temperatura afeta a resistência

Quando a temperatura dos metais aumenta, sua resistência também aumenta. Com semicondutores, o oposto é verdadeiro - nas mesmas condições, esse parâmetro diminuirá para eles. O ponto aqui é que a condutividade elétrica de qualquer material (e essa característica é inversamente proporcional à resistência) depende de qual carga de corrente os portadores têm, da velocidade de seu movimento em um campo elétrico e de seu número em uma unidade de volume de o material.

Nos elementos semicondutores, com o aumento da temperatura, a concentração de partículas aumenta, devido a isso, a condutividade térmica aumenta e a resistência diminui. Você pode verificar isso se tiver um conjunto simples de um jovem físico e o material necessário - silício ou germânio, também pode levar um semicondutor feito deles. Um aumento na temperatura reduzirá sua resistência. Para ter certeza disso, você precisa estocar instrumentos de medição que permitirão que você veja todas as mudanças. Isso no caso geral. Vejamos algumas opções privadas.

Resistência e ionização eletrostática

Isso se deve ao tunelamento de elétrons que passam por uma barreira muito estreita que fornece cerca de um centésimo de micrômetro. Ele está localizado entre as bordas das zonas de energia. Seu aparecimento só é possível quando as bandas de energia são inclinadas, o que ocorre apenas sob a influência de um forte campo elétrico. Quando ocorre o tunelamento (que é um efeito da mecânica quântica), os elétrons passam por uma estreita barreira de potencial e sua energia não muda. Isso acarreta um aumento na concentração de portadores de carga, e em ambas as bandas: condução e valência. Se o processo de ionização eletrostática for desenvolvido, pode ocorrer uma quebra de tunelamento do semicondutor. Durante este processo, a resistência dos semicondutores mudará. É reversível e, assim que o campo elétrico for desligado, todos os processos serão restabelecidos.

Resistência e ionização por impacto

Nesse caso, buracos e elétrons são acelerados enquanto passam pelo caminho livre médio sob a influência de um forte campo elétrico para valores que contribuem para a ionização dos átomos e a quebra de uma das ligações covalentes (o átomo principal ou impureza). ). A ionização de impacto ocorre como uma avalanche, e os portadores de carga se multiplicam nela como uma avalanche. Neste caso, os buracos e elétrons recém-criados são acelerados por uma corrente elétrica. O valor da corrente no resultado final é multiplicado pelo coeficiente de ionização por impacto, que é igual ao número de pares elétron-buraco que são formados pelo portador de carga em uma seção do caminho. O desenvolvimento deste processo, em última análise, leva a uma avalanche do semicondutor. A resistência dos semicondutores também muda, mas, como no caso da ruptura do túnel, é reversível.

O uso de semicondutores na prática

A importância especial desses elementos deve ser notada nas tecnologias de computador. Quase não temos dúvidas de que você não estaria interessado na questão do que são semicondutores, se não fosse o desejo de montar independentemente um objeto usando-os. É impossível imaginar o trabalho dos modernos refrigeradores, televisores, monitores de computador sem semicondutores. Não fique sem eles e desenvolvimento automotivo avançado. Eles também são usados ​​na aviação e tecnologia espacial. Você entende o que são semicondutores, qual a sua importância? É claro que não se pode dizer que esses são os únicos elementos insubstituíveis para nossa civilização, mas também não devem ser subestimados.

A utilização de semicondutores na prática também se deve a uma série de fatores, incluindo o uso generalizado dos materiais de que são feitos, e a facilidade de processamento e obtenção do resultado desejado, e outras características técnicas, pelas quais a escolha do cientistas que desenvolveram equipamentos eletrônicos pararam neles.

Conclusão

Examinamos em detalhes o que são semicondutores, como eles funcionam. Sua resistência é baseada em processos físicos e químicos complexos. E podemos notificá-lo de que os fatos descritos no artigo não entenderão completamente o que são semicondutores, pela simples razão de que nem a ciência estudou as características de seu trabalho até o fim. Mas conhecemos suas principais propriedades e características, o que nos permite aplicá-las na prática. Portanto, você pode procurar materiais semicondutores e experimentá-los você mesmo, tomando cuidado. Quem sabe, talvez um grande explorador esteja cochilando em você?!

As propriedades físicas dos sólidos, e principalmente suas propriedades elétricas, são determinadas não por como as zonas foram formadas, mas por como elas são preenchidas. Deste ponto de vista, todos os corpos cristalinos podem ser divididos em dois grupos diferentes. Todos os corpos incluídos no primeiro grupo são condutores. O segundo grupo de sólidos combina semicondutores e dielétricos. O segundo grupo inclui corpos em que as zonas completamente vazias estão localizadas acima das zonas completamente cheias. Este grupo também inclui cristais com estrutura de diamante: silício, germânio, estanho cinza, o próprio diamante; e muitos compostos químicos - óxidos metálicos, carbonetos, nitretos metálicos, corindo.

Os semicondutores são divididos em intrínsecos (puros) e extrínsecos (dopados). Semicondutores de alto grau de pureza são chamados intrínsecos. Neste caso, as propriedades de todo o cristal são determinadas apenas pelas propriedades dos átomos intrínsecos do elemento semicondutor. O aparecimento de propriedades condutoras em um semicondutor pode ser devido ao aumento da temperatura, outras influências externas (irradiação de luz, bombardeio de elétrons rápidos). É importante apenas que a ação externa provoque a transição de elétrons da banda de valência para a banda de condução ou que se criem condições para a geração de portadores de carga livres na massa do semicondutor. A condutividade intrínseca com igualdade estrita de concentrações de portadores de diferentes sinais pode ser realizada apenas em cristais semicondutores ideais superpuros. Em condições reais, sempre lidamos com cristais contaminados em um grau ou outro por várias impurezas. Além disso, são os semicondutores de impureza que são de maior interesse na tecnologia de semicondutores. Os semicondutores de impureza, dependendo do tipo de impureza introduzida, são divididos em doador (eletrônico) e aceitador (furo). A formação de buracos na banda de valência significa o aparecimento de condução de buracos no cristal. Devido a esse tipo de condutividade, os próprios semicondutores são chamados de semicondutores de orifício ou semicondutores do tipo p. As impurezas introduzidas em um semicondutor para capturar elétrons da banda de valência são chamadas de aceptores, razão pela qual os níveis de energia dessas impurezas são chamados de níveis de aceptor, e os próprios semicondutores com tais impurezas são chamados de semicondutores aceptores.

A fotocondutividade é um processo de não equilíbrio em semicondutores, que consiste no aparecimento ou alteração das propriedades condutoras de um semicondutor sob a ação de qualquer radiação (infravermelha, visível ou ultravioleta). Como regra, a irradiação de um semicondutor com luz é acompanhada por um aumento em sua condutividade elétrica. Um aumento na condutividade é explicado por um aumento na concentração de portadores livres (a mobilidade dos portadores fora de equilíbrio praticamente não difere da mobilidade dos portadores de equilíbrio). A formação de operadoras móveis em excesso quando expostas à luz é possível pelas três razões principais a seguir:

• os quanta de luz, interagindo com elétrons localizados em níveis doadores de impurezas, e dando-lhes sua energia, transferem-nos para a banda de condução, aumentando assim a concentração de elétrons de condução;
• os quanta de luz excitam os elétrons localizados na banda de valência e os transferem para níveis aceitadores, criando assim lacunas livres na banda de valência e aumentando a condutividade de lacunas do semicondutor;
• Os quanta de luz transferem elétrons da banda de valência diretamente para a banda de condução, criando assim lacunas móveis e elétrons livres ao mesmo tempo.

Atualmente, os dispositivos semicondutores são usados ​​em quase todas as áreas da eletrônica e engenharia de rádio. No entanto, apesar da extrema variedade desses dispositivos, eles geralmente são baseados na operação de uma junção p-n convencional ou em um sistema de várias junções p-n. Um diodo semicondutor contém apenas uma junção p-n, para cada uma das regiões das quais as entradas de metal estão conectadas usando contatos ôhmicos. Os diodos semicondutores são usados ​​principalmente para retificar a corrente alternada.

Ao contrário dos diodos semicondutores, os transistores são sistemas semicondutores que consistem em três regiões separadas por duas junções p-n. Cada área tem sua própria saída. Portanto, por analogia com os triodos de vácuo, os transistores são frequentemente chamados de triodos semicondutores. E em termos de finalidade, os transistores são semelhantes aos triodos de vácuo: a principal área de seu uso é a amplificação de sinais elétricos em tensão e potência. Para obter transistores em uma placa monocristalina semicondutora com um certo tipo de condutividade, em suas duas faces opostas, uma impureza é fundida ou penetrada difusamente, transmitindo condutividade do tipo oposto às regiões próximas à superfície. Você pode criar um transistor como um tipo p-n-p e tipo n-p-n. Não há diferença fundamental entre eles. É só que os buracos desempenham o papel principal nos transistores do tipo p-n-p e os elétrons nos transistores do tipo n-p-n.

Os semicondutores rapidamente entraram na ciência e na tecnologia. Enormes economias no consumo de energia, incrível compacidade do equipamento devido à densidade incomumente alta de elementos nos circuitos, alta confiabilidade permitiu que os semicondutores conquistassem uma posição de liderança em eletrônica, engenharia de rádio e ciência. A pesquisa no espaço, onde os requisitos de tamanho, peso e consumo de energia são tão críticos, é atualmente impensável sem dispositivos semicondutores, que, aliás, recebem energia no voo autônomo do dispositivo de baterias solares operando em elementos semicondutores. Surpreendentes perspectivas no desenvolvimento da tecnologia de semicondutores foram abertas pela microeletrônica. No entanto, as possibilidades de semicondutores estão longe de se esgotarem e aguardam seus novos pesquisadores.

Aplicações de semicondutores

Atualmente, os dispositivos semicondutores são usados ​​em quase todas as áreas da eletrônica e engenharia de rádio. No entanto, apesar da extrema variedade desses dispositivos, eles geralmente são baseados na operação de uma junção p-n convencional ou em um sistema de várias junções p-n.

Um diodo semicondutor contém apenas uma junção p-n, para cada uma das regiões das quais as entradas de metal estão conectadas usando contatos ôhmicos.

diodos retificadores. Os diodos semicondutores são usados ​​principalmente para retificar a corrente alternada. O esquema mais simples para usar um diodo semicondutor como elemento retificador é mostrado na Figura 1. Uma fonte de tensão alternada i-, diodo D e um resistor de carga Rn são conectados em série. A direção do fluxo do diodo é indicada por uma seta (do ânodo para o cátodo).

Deixe a tensão nos terminais da fonte mudar de acordo com uma lei senoidal (Fig. 2, a). Durante o semiciclo positivo, quando “+” é aplicado ao ânodo do diodo e “-” ao cátodo, o diodo liga na direção direta e a corrente flui através dele. Neste caso, o valor instantâneo da corrente I é determinado pelo valor instantâneo da tensão e nos terminais da fonte e a resistência da carga (a resistência do diodo na direção direta é pequena e pode ser desprezada). Durante o semiciclo negativo, nenhuma corrente flui através do diodo. Assim, uma corrente pulsante flui no circuito, cujo gráfico é mostrado na Figura 2, b. A mesma pulsante será a tensão un no resistor de carga. Como u = iR, a mudança na tensão u repete o curso da mudança na corrente i. A polaridade da tensão criada na resistência de carga é sempre a mesma e é determinada de acordo com a direção da corrente transmitida: no final da resistência voltada para o cátodo, haverá “+”, e no oposto fim "-".

O esquema de retificação considerado é de meia onda. Para reduzir a ondulação da tensão retificada, são utilizados filtros de suavização. O método de suavização mais simples é conectar um capacitor C em paralelo com o resistor de carga (mostrado na linha pontilhada na Figura 1). Durante o semiciclo positivo, parte da corrente passada pelo diodo vai carregar o capacitor. Durante o semiciclo negativo, quando o diodo está travado, o capacitor é descarregado através de Rp, criando uma corrente nele na mesma direção. Devido a isso, a ondulação de tensão no resistor de carga é amplamente suavizada.