S objavom polovodičov a štúdiom ich vlastností bolo možné vytvárať obvody na báze diód a tranzistorov. Čoskoro kvôli lepšiemu výkonu a menšej veľkosti nahradili vákuové elektrónky, potom bolo možné vyrábať integrované obvody založené na polovodičových prvkoch.

Čo sú to polovodiče

Definovať polovodiče znamená charakterizovať ich z hľadiska ich schopnosti viesť elektrický prúd. Pre tieto kryštalické látky sa elektrická vodivosť zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou, vystavením svetlu a prítomnosti rôznych nečistôt.

Polovodiče sú so širokou a úzkou medzerou, čo určuje vlastnosti polovodičových materiálov. Pásmová medzera, meraná v elektrónvoltoch (eV), určuje elektrickú vodivosť. Tento parameter môže byť vyjadrený ako energia, ktorú elektrón potrebuje na preniknutie do zóny elektrického prúdu. V priemere pre polovodiče je to 1 eV, môže to byť viac alebo menej.

Ak je pravidelnosť kryštálovej mriežky polovodičov narušená cudzím atómom, potom bude takáto vodivosť nečistotou. Ak sú polovodičové látky určené na vytváranie prvkov mikroobvodov, špeciálne sa k nim pridávajú nečistoty, ktoré tvoria zvýšené nahromadenie dier alebo elektrónov:

• donor - s vyššou valenciou darujú elektróny;
• akceptor - s nižšou valenciou odoberá elektróny, vytvára diery.

Dôležité! Hlavným faktorom ovplyvňujúcim elektrickú vodivosť vodičov je teplota.

Ako je zabezpečená vodivosť?

Príklady polovodičov sú kremík, germánium. V kryštáloch týchto látok majú atómy kovalentné väzby. Keď teplota stúpa, niektoré elektróny sa môžu uvoľniť. Atóm, ktorý stratil elektrón, sa potom stáva kladne nabitým iónom. A elektrón, ktorý sa nemôže presunúť na iný atóm v dôsledku nasýtenia väzieb, sa ukáže ako voľný. Pod vplyvom elektrického poľa sa uvoľnené elektróny môžu pohybovať v usmernenom toku.

Ión, ktorý stratil elektrón, má tendenciu „vziať“ ďalší z najbližšieho atómu. Ak sa mu to podarí, potom tento atóm už zastaví ión, ktorý sa bude snažiť nahradiť stratený elektrón. Dochádza tak k pohybu „dier“ (kladných nábojov), ktoré môžu byť usporiadané aj v elektrickom poli.

Zvýšená teplota umožňuje energickejšie uvoľňovanie elektrónov, čo vedie k zníženiu odporu polovodiča a zvýšeniu vodivosti. Elektróny a diery sú v čistých kryštáloch spojené približne v rovnakých pomeroch, takáto vodivosť sa nazýva vnútorná.

vodivosť typu p a typu n

Druhy vodivosti nečistôt sa delia na:

1. R-typ. Vzniká po pridaní akceptorovej nečistoty. Nižšia valencia nečistôt spôsobuje tvorbu zvýšeného počtu otvorov. Pre štvormocný kremík môže ako taká nečistota slúžiť trojmocný bór;
2. N-typ. Ak sa do kremíka pridá päťmocný antimón, potom sa počet uvoľnených záporných elektrónov nosiča náboja v polovodiči zvýši.

Polovodičové prvky fungujú hlavne na základe vlastností p-n prechodu. Keď sa dva materiály s rôznymi typmi vodivosti dostanú do kontaktu, na hranici medzi nimi budú elektróny a diery prenikať do opačných zón.

Dôležité! Proces výmeny polovodičových materiálov kladnými a zápornými nosičmi náboja má časové limity - pred vytvorením bariérovej vrstvy.

Nosiče kladného a záporného náboja sa hromadia v spojených častiach na oboch stranách línie kontaktu. Výsledný potenciálny rozdiel môže dosiahnuť 0,6 V.

Keď prvok s p-n prechodom vstúpi do elektrického poľa, jeho vodivosť bude závisieť od pripojenia napájacieho zdroja (PS). Pri "plus" na časti s p-vodivosťou a "mínus" na časti s n-vodivosťou sa blokovacia vrstva zničí a cez spoj bude pretekať prúd. Ak je napájanie pripojené opačne, blokovacia vrstva sa ešte zväčší a prepustí elektrický prúd zanedbateľnej veľkosti.

Dôležité! P-n-prechod má jednostrannú vodivosť.

Použitie polovodičov

Na základe vlastností polovodičov boli vytvorené rôzne zariadenia, ktoré sa používajú v rádiotechnike, elektronike a iných oblastiach.

Dióda

Jednosmerná vodivosť polovodičových diód určila rozsah ich použitia - hlavne pri usmerňovaní striedavého prúdu. Iné typy diód:

1. Tunel. Používa polovodičové materiály s takým obsahom nečistôt, že šírka p-n prechodu sa prudko zmenšuje a pri priamom spojení je možný efekt prerušenia tunela. Používa sa v RF zariadeniach, generátoroch, meracích zariadeniach;
2. Prevedené. Mierne upravená tunelová dióda. Pri priamom zapojení je napätie, ktoré ju otvára, oveľa nižšie v porovnaní s klasickými diódami. To predurčuje použitie tunelovej diódy na konverziu nízkonapäťových prúdov;
3. Varicap. Keď je p-n prechod uzavretý, jeho kapacita je dosť vysoká. Varikap sa používa ako kondenzátor, ktorého kapacita sa môže meniť zmenou napätia. Kapacita sa zníži, ak sa spätné napätie zvýši;

1. Zenerova dióda. Zapojené paralelne stabilizuje napätie v danej oblasti;
2. Pulz. Kvôli krátkym prechodovým javom sa používajú pre impulzné RF obvody;
3. Lavínové lietanie. Používa sa na generovanie ultravysokofrekvenčných oscilácií. Je založená na lavínovom násobení nosičov náboja.

Táto dióda sa neskladá z dvoch polovodičových materiálov, ale polovodič je v kontakte s kovom. Keďže kov nemá kryštalickú štruktúru, nemôžu v ňom byť otvory. To znamená, že v mieste kontaktu s polovodičovým materiálom sú schopné preniknúť iba elektróny z oboch strán, ktoré vykonávajú pracovnú funkciu. To je možné, keď:

• existuje polovodič typu n a pracovná funkcia jeho elektrónov je menšia ako funkcia kovu;
• existuje polovodič typu p s pracovnou funkciou jeho elektrónov väčšou ako pracovná funkcia kovu.

V mieste dotyku polovodič stratí nosiče náboja, zníži sa jeho vodivosť. Vytvorí sa bariéra, ktorá sa prekoná jednosmerným napätím požadovanej hodnoty. Spätné napätie prakticky blokuje diódu, ktorá funguje ako usmerňovač. Schottkyho diódy sa pre svoju vysokú rýchlosť používajú v impulzných obvodoch, vo výpočtových zariadeniach, slúžia aj ako výkonové diódy na usmernenie prúdu značnej veľkosti.

Takmer žiadny mikroobvod sa nezaobíde bez tranzistorov, polovodičových prvkov s dvoma p-n prechodmi. Tranzistorový prvok má tri výstupné kontakty:

• zberateľ;
• základňa;
• žiarič.

Ak je na základňu privedený riadiaci signál s nízkym výkonom, medzi kolektorom a emitorom prechádza oveľa viac prúdu. Keď sa na základňu neprivádza žiadny signál, nevedie sa žiadny prúd. Takto je možné nastaviť silu prúdu. Na zosilnenie signálu a bezkontaktné spínanie obvodu sa používa zariadenie.

Typy polovodičových tranzistorov:

1. bipolárny. Majú kladné a záporné nosiče náboja. Pretekajúci prúd je schopný prechádzať v smere dopredu a dozadu. Používa sa ako zosilňovače;
2. Lúka. Ich výstupy sa nazývajú odtok, zdroj, brána. Riadenie sa vykonáva pomocou elektrického poľa určitej polarity. Signál aplikovaný na hradlo môže zmeniť vodivosť tranzistora. Nosiče náboja v poľných zariadeniach môžu mať iba jedno znamienko: kladné alebo záporné. V audio zosilňovačoch sa používajú výkonné tranzistory s efektom poľa. Ich hlavnou aplikáciou sú integrované obvody. Kompaktné rozmery a nízka spotreba energie umožňujú ich inštaláciu do zariadení so zdrojmi nízkeho napätia (hodiny);
3. Kombinované. Môžu byť umiestnené spolu s inými tranzistorovými prvkami, odpormi v jednej monolitickej štruktúre.

Dopovanie polovodičov

Doping je zavádzanie prvkov nečistôt, donoru a akceptora, do polovodičových kryštálov na kontrolu ich vodivosti. K tomu dochádza počas obdobia rastu kryštálov alebo lokálnym zavedením do určitých zón.

Použité metódy:

1. Vysokoteplotná difúzia. Polovodičový kryštál sa zahrieva a atómy nečistôt, ktoré sú v kontakte s jeho povrchom, padajú do hĺbky. Na niektorých miestach kryštálovej mriežky atómy nečistôt nahrádzajú atómy hlavnej látky;
2. Iónová implantácia. Dochádza k ionizácii a urýchľovaniu atómov nečistôt, ktoré bombardujú monokryštál, vytvárajú miestne nehomogenity a vytvárajú p-n spojenia;
3. laserové ožarovanie. Výhodou metódy je, že pomocou smerovaného žiarenia možno jednotlivé sekcie ohrievať na ľubovoľné hodnoty teploty, čo uľahčuje vnášanie nečistôt;
4. neutrónový doping. Používaný relatívne nedávno. Spočíva v ožiarení monokryštálu tepelnými neutrónmi v reaktore, v dôsledku čoho dochádza k mutácii atómových jadier. Atómy kremíka sa premieňajú na fosfor.

Existujú aj iné spôsoby dopovania: chemické leptanie, vytváranie tenkých vrstiev naprašovaním.

Ako sa vyrábajú polovodiče?

Hlavnou vecou pri získavaní polovodičov je ich čistenie od nepotrebných nečistôt. Spomedzi mnohých spôsobov, ako ich získať, možno rozlíšiť dva z najbežnejšie používaných:

1. Zónové tavenie. Proces sa uskutočňuje v utesnenej kremennej nádobe, kam sa privádza inertný plyn. Taví sa úzka zóna ingotu, ktorá sa postupne posúva. V procese tavenia sa nečistoty redistribuujú a rekryštalizujú, čím sa uvoľní čistá časť;
2. Czochralského metóda. Spočíva v pestovaní kryštálu zo semena postupným vyťahovaním z roztavenej kompozície.

Druhy polovodičových materiálov

Rozdiely v zložení určujú rozsah polovodičov:

1. Jednoduché - zahŕňajú homogénne látky, ktoré sa používajú nezávisle, ako aj nečistoty a zložky zložitých materiálov. Kremík, selén a germánium sa používajú nezávisle. Ako prísady slúžia bór, antimón, telúr, arzén, síra, jód;
2. Komplexné materiály sú chemické zlúčeniny dvoch alebo viacerých prvkov: sulfidy, teluridy, karbidy;
3. Oxidy kobaltu, medi, európia sa používajú v usmerňovačoch a fotočlánkoch;
4. Organické polovodiče: indol, akridón, flavantrón, pentacén. Jednou z oblastí ich použitia je optická elektronika;
5. Magnetické polovodiče. Sú to feromagnetické materiály, napríklad sulfid a oxid európia, ako aj antiferomagnetické materiály - oxid nikelnatý, telurid európia. Používajú sa v rádiotechnike, optických zariadeniach riadených magnetickým poľom.

Teraz je ťažké pomenovať oblasť technológie, kde by sa nepoužívali žiadne polovodičové materiály, vrátane bez p-n prechodu, napríklad tepelný odpor v snímačoch teploty, fotoodpor v diaľkových ovládačoch a iné.

Video

Polovodiče sú širokou triedou látok charakterizovaných hodnotami elektrickej vodivosti, ktoré ležia v rozmedzí medzi elektrickou vodivosťou kovov a dobrými dielektrikami, to znamená, že tieto látky nemožno klasifikovať ako dielektriká (pretože nie sú dobrými izolantmi) a kovy ( nie sú dobrými vodičmi elektriny). Medzi polovodiče patria napríklad látky ako germánium, kremík, selén, telúr, ako aj niektoré oxidy, sulfidy a zliatiny kovov.

Vlastnosti:

1) So zvyšujúcou sa teplotou sa merný odpor polovodičov znižuje, na rozdiel od kovov, u ktorých sa merný odpor zvyšuje so zvyšujúcou sa teplotou. Okrem toho spravidla v širokom rozsahu teplôt k tomuto nárastu dochádza exponenciálne. Odpor polovodičových kryštálov sa môže tiež znížiť, keď sú vystavené svetlu alebo silným elektronickým poliam.

2) Vlastnosť jednostranného vedenia kontaktu dvoch polovodičov. Práve táto vlastnosť sa používa na vytváranie rôznych polovodičových zariadení: diódy, tranzistory, tyristory atď.

3) Kontakty rôznych polovodičov za určitých podmienok, keď sú osvetlené alebo zahrievané, sú zdrojom foto-e. d.s. alebo, v tomto poradí, termo-e. d.s.

Polovodiče sa od ostatných tried pevných látok líšia mnohými špecifickými vlastnosťami, z ktorých najdôležitejšie sú:

1) kladný teplotný koeficient elektrickej vodivosti, to znamená, že so zvyšujúcou sa teplotou sa zvyšuje elektrická vodivosť polovodičov;

2) špecifická vodivosť polovodičov je menšia ako u kovov, ale väčšia ako u izolantov;

3) veľké hodnoty termoelektromotorickej sily v porovnaní s kovmi;

4) vysoká citlivosť vlastností polovodičov na ionizujúce žiarenie;

5) schopnosť prudkej zmeny fyzikálnych vlastností pod vplyvom zanedbateľných koncentrácií nečistôt;

6) vplyv usmerňovania prúdu alebo neohmického správania na kontakty.

3. Fyzikálne procesy v p-n - prechode.

Hlavným prvkom väčšiny polovodičových zariadení je prechod elektrón-diera ( okres-prechod), čo je prechodová vrstva medzi dvoma oblasťami polovodiča, z ktorých jedna má elektrickú elektrickú vodivosť a druhá - diera.

Vzdelávanie pn prechod. Pn rovnovážny prechod

Pozrime sa bližšie na proces vzdelávania pn prechod. Rovnovážny stav sa nazýva taký prechodový stav, keď neexistuje žiadne vonkajšie napätie. Pripomeňte si to v R- oblasť existujú dva typy hlavných nosičov náboja: imobilné záporne nabité ióny atómov akceptorových nečistôt a voľné kladne nabité diery; a v n-oblasť existujú aj dva typy hlavných nosičov náboja: nepohyblivé kladne nabité ióny atómov akceptorových nečistôt a voľné záporne nabité elektróny.

Pred dotykom p a n oblasti, elektróny, diery a ióny nečistôt sú rovnomerne rozložené. Pri kontakte na hraniciach p a n oblastiach vzniká koncentračný gradient voľných nosičov náboja a difúzia. Pôsobením difúzie sa elektróny z n- oblasť ide do p a rekombinuje sa tam s dierami. diery z R- oblasti ísť do n oblasti a tam sa rekombinujú s elektrónmi. V dôsledku takéhoto pohybu voľných nosičov náboja v hraničnej oblasti ich koncentrácia klesá takmer na nulu a súčasne R oblasti sa vytvorí negatívny priestorový náboj iónov akceptorových nečistôt a v n-región kladný priestorový náboj donorových iónov nečistôt. Medzi týmito nábojmi je rozdiel kontaktného potenciálu φ do a elektrické pole E do, ktorý bráni difúzii voľných nosičov náboja z hĺbky R- a n- cez oblasti p-n- prechod. Tak sa nazýva oblasť spojená voľnými nosičmi náboja s jeho elektrickým poľom p-n- prechod.

Pn Prechod je charakterizovaný dvoma hlavnými parametrami:

1. Potenciálna výška bariéry. Rovná sa rozdielu kontaktného potenciálu φ do. Ide o potenciálny rozdiel v prechode v dôsledku koncentračného gradientu nosičov náboja. Toto je energia, ktorú musí mať bezplatný náboj, aby prekonal potenciálnu bariéru:

kde k je Boltzmannova konštanta; e je náboj elektrónu; T- teplota; N a a N D sú koncentrácie akceptorov a donorov v oblasti dier a elektrónov, v tomto poradí; p p a p n sú koncentrácie otvorov v R- a n- oblasti; n i - vlastná koncentrácia nosičov náboja v nedopovanom polovodiči,  t \u003d kT / e- teplotný potenciál. Pri teplote T\u003d 27 0 С  t= 0,025 V, pre prechod germánia  do= 0,6 V, pre kremíkový prechod  do\u003d 0,8 V.

2. šírka p-n križovatky(obr. 1) je hraničná oblasť ochudobnená o nosiče náboja, ktorá sa nachádza v p a n oblasti: l p-n = l p + l n:

Odtiaľ,

kde ε je relatívna permitivita polovodičového materiálu; ε 0 je dielektrická konštanta voľného priestoru.

Hrúbka prechodov elektrón-diera je rádovo (0,1-10) um. Ak , tak a pn-prechod sa nazýva symetrický, ak , potom a pn- prechod sa nazýva asymetrický a nachádza sa hlavne v oblasti polovodiča s nižšou koncentráciou nečistôt.

V rovnovážnom stave (bez externého napätia) cez okres prechodu sa pohybujú dva protiprúdy nábojov (tečú dva prúdy). Sú to driftový prúd menšinových nosičov náboja a difúzny prúd, ktorý je spojený s väčšinovými nosičmi náboja. Pretože neexistuje žiadne vonkajšie napätie a vo vonkajšom obvode nie je žiadny prúd, driftový prúd a difúzny prúd sú vzájomne vyvážené a výsledný prúd je nulový.

I dr + I diff = 0.

Tento vzťah sa nazýva stav dynamickej rovnováhy procesov difúzie a driftu v izolovanom (rovnovážnom) pn-prechod.

Povrch, na ktorom sú v kontakte p a n oblasť sa nazýva metalurgická hranica. V skutočnosti má konečnú hrúbku - 5 m. Ak 5 m<< l p-n , potom pn Prechod sa nazýva ostrý. Ak δ m >> lp-n, potom pn Prechod sa nazýva hladký.

Р-n prechod pri vonkajšom napätí, ktoré je naň aplikované

Vonkajšie napätie narúša dynamickú rovnováhu prúdov v pn-prechod. Pn- prechod prechádza do nerovnovážneho stavu. V závislosti od polarity napätia aplikovaného na oblasti v pn-možný prechod na dva režimy prevádzky.

1) Zaujatosť dopredupn prechod. R-n- prechod sa považuje za predpätý, ak je pripojený kladný pól napájacieho zdroja R-región, a negatívne do n- plochy (obr. 1.2)

Pri predpätí smerujú napätia  do a U opačne, výsledné napätie je zapnuté pn-prechod klesá na hodnotu  do - U. To vedie k tomu, že intenzita elektrického poľa klesá a obnovuje sa proces difúzie hlavných nosičov náboja. Okrem toho posun dopredu znižuje šírku pn prechod, pretože lp-n ≈( až - U) 1/2. Difúzny prúd, prúd hlavných nosičov náboja, sa stáva oveľa väčším ako driftový prúd. cez pn-prechod tečie jednosmerný prúd

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

Keď tečie jednosmerný prúd, väčšinové nosiče náboja v p-oblasti prechádzajú do n-oblasti, kde sa stávajú menšími. Difúzny proces zavádzania väčšinových nosičov náboja do oblasti, kde sa stávajú menšinovými, sa nazýva injekciou a jednosmerný prúd - difúzny prúd alebo vstrekovací prúd. Na kompenzáciu minoritných nosičov náboja nahromadených v oblastiach p a n vzniká vo vonkajšom obvode prúd elektrónov zo zdroja napätia, t.j. princíp elektroneutrality je zachovaný.

S nárastom U prúd sa prudko zvyšuje, - teplotný potenciál, a môže dosiahnuť veľké hodnoty. spojené s hlavnými nosičmi, ktorých koncentrácia je vysoká.

2) obrátená zaujatosť, nastane, keď R-plocha sa aplikuje mínus a na n-area plus, externý zdroj napätia (obr. 1.3).

Toto vonkajšie napätie U zahrnuté podľa  do. To: zvyšuje výšku potenciálnej bariéry na hodnotu  do + U; zvyšuje sa intenzita elektrického poľa; šírka pn prechod sa zvyšuje, pretože l p-n ≈( do + U) 1/2; proces difúzie sa úplne zastaví a potom pn prechodové toky driftový prúd, menšinový nosný prúd. Taký prúd pn-prechod sa nazýva reverzný a keďže je spojený s menšími nosičmi náboja, ktoré vznikajú v dôsledku vytvárania tepla, nazýva sa tepelný prúd a označuje sa - ja 0, t.j.

I p-n \u003d Irr \u003d I diff + I dr Ja dr \u003d ja 0.

Tento prúd má malú veľkosť. spojené s menšinovými nosičmi náboja, ktorých koncentrácia je nízka. teda pn prechod má jednostrannú vodivosť.

Pri reverznej odchýlke sa koncentrácia menšinových nosičov náboja na hranici prechodu v porovnaní s rovnovážnou mierne znižuje. To vedie k difúzii menšinových nosičov náboja z hĺbky p a n- oblasti k hraniciam pn prechod. Po jeho dosiahnutí spadnú menšinové nosiče do silného elektrického poľa a sú prenesené pn prechodu, kde sa stávajú väčšinovými nosičmi náboja. Difúzia vedľajších nosičov náboja k hraniciam pn prechod a drift cez ňu do oblasti, kde sa stávajú hlavnými nosičmi náboja sa nazýva extrakcia. Extrakcia a vytvára spätný prúd pn prechod je prúd vedľajších nosičov náboja.

Veľkosť spätného prúdu veľmi závisí od: okolitej teploty, polovodičového materiálu a plochy pn prechod.

Teplotná závislosť spätného prúdu je určená výrazom , kde je nominálna teplota, je skutočná teplota, je teplota zdvojnásobenia tepelného prúdu.

Tepelný prúd kremíkového spojenia je oveľa menší ako tepelný prúd spojenia na báze germánia (o 3 až 4 rády). Je to spojené s  do materiál.

So zväčšovaním prechodovej oblasti sa zväčšuje jej objem a následne aj počet minoritných nosičov vznikajúcich v dôsledku tvorby tepla a nárastu tepelného prúdu.

Takže hlavná vlastnosť pn-prechod je jeho jednosmerné vedenie.

4. Prúdovo-napäťová charakteristika p-n - prechod.

Získame prúdovo-napäťovú charakteristiku p-n prechodu. Aby sme to dosiahli, napíšeme rovnicu kontinuity vo všeobecnom tvare:

Budeme uvažovať stacionárny prípad dp/dt = 0.

Uvažujme prúd v kvázi-neutrálnom objeme polovodiča typu n napravo od ochudobnenej oblasti p-n prechodu (x > 0). Rýchlosť generovania G v kvázi-neutrálnom objeme je nula: G = 0. Elektrické pole E je tiež nulové: E = 0. Zložka driftu prúdu je tiež nulová: I E = 0, preto je prúd difúzny. Rýchlosť rekombinácie R pri nízkej úrovni vstrekovania je opísaná vzťahom:

Použime nasledujúci vzťah týkajúci sa koeficientu difúzie, dĺžky difúzie a životnosti minoritného nosiča: Dτ = L p 2 .

Berúc do úvahy vyššie uvedené predpoklady, rovnica kontinuity má tvar:

Okrajové podmienky pre difúznu rovnicu v p-n prechode sú:

Riešenie diferenciálnej rovnice (2.58) s okrajovými podmienkami (*) má tvar:

Vzťah (2.59) popisuje zákon rozdelenia vstreknutých dier v kvázi neutrálnom objeme polovodiča typu n pre prechod elektrón-diera (obr. 2.15). Všetky nosiče, ktoré prekročili hranicu SCR s kvázi neutrálnym objemom p-n prechodu, sa zúčastňujú prúdu p-n prechodu. Keďže celý prúd je difúzny, dosadením (2.59) do výrazu pre prúd dostaneme (obr. 2.16):

Vzťah (2.60) popisuje difúznu zložku dierového prúdu p-n prechodu, ktorý vzniká pri vstrekovaní menšinových nosičov pod predpätím. Pre elektronickú zložku p-n prechodového prúdu podobne získame:

Pri V G = 0 sa zložky driftu a difúzie navzájom vyrovnávajú. Preto, .

Celkový prúd p-n prechodu je súčtom všetkých štyroch zložiek prúdu p-n prechodu:

Výraz v zátvorkách má fyzikálny význam spätného prúdu p-n prechodu. V skutočnosti pri záporných napätiach 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:

Ryža. 2.15. Distribúcia nerovnovážnych nosičov vstreknutých z žiariča cez kvázi-neutrálny objem základne p-n prechodu

Je ľahké vidieť, že tento vzťah je ekvivalentný tomu, ktorý sme získali skôr pri analýze rovnice kontinuity.

Ak je potrebné realizovať podmienku jednostranného vstrekovania (napríklad iba vstrekovanie otvorov), potom zo vzťahu (2.61) vyplýva, že malá hodnota koncentrácie minoritných nosičov n p0 v oblasti p by mala byť zvolený. Z toho vyplýva, že polovodič typu p musí byť silne dotovaný v porovnaní s polovodičom typu n: N A >> N D . V tomto prípade bude v prúde p-n prechodu dominovať dierová zložka (obr. 2.16).

Ryža. 2.16. Prúdy v jednokoncovom p-n prechode s predpätím

I–V charakteristika p-n prechodu má teda tvar:

Hustota saturačného prúdu Js je:

CVC p-n prechod, popísaný vzťahom (2.62), je znázornený na obrázku 2.17.

Ryža. 2.17. Prúdová charakteristika ideálneho p-n prechodu

Ako vyplýva zo vzťahu (2.16) a obrázku 2.17, prúdovo-napäťová charakteristika ideálneho p-n prechodu má výraznú asymetrickú formu. V oblasti jednosmerných napätí je prúd p-n prechodu difúzny a exponenciálne rastie so zvyšujúcim sa napätím. V oblasti záporných napätí je prechodový prúd p-n drift a nezávisí od použitého napätia.

5. Kapacita p-n - prechod.

Každý systém, v ktorom sa elektrický náboj Q mení pri zmene potenciálu φ, má kapacitu. Hodnota kapacity C je určená pomerom: .

Pre p-n prechod možno rozlíšiť dva typy nábojov: náboj v oblasti priestorového náboja ionizovaných donorov a akceptorov Q B a náboj vstreknutých nosičov do bázy z žiariča Q p. S rôznymi odchýlkami na p-n prechode bude pri výpočte kapacity dominovať jeden alebo druhý náboj. V tomto ohľade sa pre kapacitu p-n prechodu rozlišuje bariérová kapacita C B a difúzna kapacita C D.

Bariérová kapacita C B je kapacita p-n prechodu pri spätnom predpätí V G< 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.

Hodnota náboja ionizovaných donorov a akceptorov Q B na jednotku plochy pre asymetrické p-n spojenie je:

Diferenciačným výrazom (2.65) dostaneme:

Z rovnice (2.66) vyplýva, že bariérová kapacita C B je kapacita plochého kondenzátora, ktorého vzdialenosť medzi doskami sa rovná šírke oblasti priestorového náboja W. Keďže šírka SCR závisí od použitého napätia V G, kapacita bariéry závisí aj od použitého napätia. Numerické odhady kapacity bariéry ukazujú, že jej hodnota je v desiatkach alebo stovkách pikofaradov.

Difúzna kapacita C D je kapacita p-n prechodu pri predpätí V G > 0 v dôsledku zmeny náboja Q p injektovaných nosičov do bázy z emitora Q p.

Na inštrumentálnu realizáciu sa využíva závislosť kapacity bariéry C B od priloženého spätného napätia V G. Polovodičová dióda, ktorá implementuje túto závislosť, sa nazýva varicap. Maximálna hodnota kapacity varikapu je pri nulovom napätí V G . Keď sa spätná odchýlka zvyšuje, kapacita varikapu klesá. Funkčná závislosť varikapovej kapacity od napätia je určená dopingovým profilom varikapovej bázy. V prípade rovnomerného dopovania je kapacita nepriamo úmerná odmocnine použitého napätia VG. Nastavením dopingového profilu v báze varikapu N D (x) možno získať rôzne závislosti kapacity varikapu od napätia C(V G) - lineárne klesajúce, exponenciálne klesajúce.

6. Polovodičové diódy: klasifikácia, konštrukčné vlastnosti, symboly a značenie.

polovodičová dióda- polovodičová súčiastka s jedným elektrickým prechodom a dvoma vývodmi (elektródami). Na rozdiel od iných typov diód je princíp činnosti polovodičovej diódy založený na jave pn-prechod.

Dobrý deň, milí čitatelia stránky. Stránka má sekciu venovanú začínajúcim rádioamatérom, ale zatiaľ som nenapísal nič pre začiatočníkov, ktorí robia prvé kroky do sveta elektroniky. Vypĺňam túto medzeru a od tohto článku sa začíname oboznamovať so zariadením a prevádzkou rádiových komponentov (rádiových komponentov).

Začnime s polovodičovými zariadeniami. Ale aby sme pochopili, ako funguje dióda, tyristor alebo tranzistor, musíme pochopiť, čo polovodič. Preto budeme najskôr študovať štruktúru a vlastnosti polovodičov na molekulárnej úrovni a následne sa budeme zaoberať prevádzkou a návrhom polovodičových rádiových súčiastok.

Všeobecné pojmy.

Prečo presne polovodič dióda, tranzistor alebo tyristor? Pretože základom týchto rádiových komponentov je polovodičov Látky schopné viesť elektrický prúd a zároveň brániť jeho prechodu.

Ide o veľkú skupinu látok používaných v rádiotechnike (germánium, kremík, selén, oxid meďnatý), no na výrobu polovodičových súčiastok používajú najmä len kremík(Si) a Germánium(Ge).

Polovodiče podľa svojich elektrických vlastností zaujímajú stredné miesto medzi vodičmi a nevodičmi elektrického prúdu.

Vlastnosti polovodičov.

Elektrická vodivosť vodičov je veľmi závislá od teploty okolia.
Vo veľmi nízka teploty blízke absolútnej nule (-273°C), polovodiče nevykonávať elektrický prúd a propagácia teplota, ich odolnosť voči prúdu klesá.

Ak ukážete na polovodič svetlo, potom sa jeho elektrická vodivosť začne zvyšovať. Pomocou tejto vlastnosti polovodičov boli vytvorené fotovoltaické spotrebičov. Polovodiče sú tiež schopné premeniť svetelnú energiu na elektrický prúd, napríklad solárne panely. A keď sa zavedie do polovodičov nečistoty niektorých látok, ich elektrická vodivosť sa dramaticky zvyšuje.

Štruktúra polovodičových atómov.

Germánium a kremík sú hlavnými materiálmi mnohých polovodičových zariadení a majú štyri valenčný elektrón.

Atóm Nemecko pozostáva z 32 elektrónov a atómu kremík zo 14. Ale len 28 elektróny atómu germánia a 10 elektróny atómu kremíka, ktoré sa nachádzajú vo vnútorných vrstvách ich obalov, sú pevne držané jadrami a nikdy z nich nevypadnú. Len štyri valenčné elektróny atómov týchto vodičov sa môžu stať voľnými a aj to nie vždy. A ak polovodičový atóm stratí aspoň jeden elektrón, stane sa kladný ión.

V polovodiči sú atómy usporiadané v prísnom poradí: každý atóm je obklopený štyri rovnaké atómy. Navyše sú umiestnené tak blízko seba, že ich valenčné elektróny tvoria jednotlivé orbity prechádzajúce okolo susedných atómov, čím sa atómy viažu do jednej celistvej látky.

Predstavme si prepojenie atómov v polovodičovom kryštáli vo forme plochého diagramu.
V diagrame zvyčajne označujú červené guľôčky s plusom jadrá atómov(kladné ióny) a modré guľôčky sú valenčné elektróny.

Tu môžete vidieť, že okolo každého atómu sa nachádza štyri presne tie isté atómy a každý z týchto štyroch má spojenie so štyrmi ďalšími atómami atď. Každý z atómov je spojený s každým susedným dva valenčné elektróny a jeden elektrón je jeho vlastný a druhý je požičaný od susedného atómu. Takáto väzba sa nazýva dvojelektrónová väzba. kovalentný.

Vonkajšia vrstva elektrónového obalu každého atómu zase obsahuje osem elektróny: štyri ich vlastné a sám, požičal si od štyroch susedný atómov. Tu už nie je možné rozlíšiť, ktorý z valenčných elektrónov v atóme je „vlastný“ a ktorý „cudzí“, keďže sa stali spoločnými. Pri takejto väzbe atómov v celej hmote kryštálu germánia alebo kremíka môžeme predpokladať, že polovodičový kryštál je jeden veľký molekula. Na obrázku ružové a žlté kruhy znázorňujú spojenie medzi vonkajšími vrstvami obalov dvoch susedných atómov.

Elektrická vodivosť polovodičov.

Zoberme si zjednodušenú kresbu polovodičového kryštálu, kde sú atómy označené červenou guľôčkou s plusom a medziatómové väzby sú znázornené dvoma čiarami symbolizujúcimi valenčné elektróny.

Pri teplote blízkej absolútnej nule polovodič nevedie prúd, keďže nemá voľné elektróny. Ale s nárastom teploty, väzba valenčných elektrónov s jadrami atómov oslabuje a niektoré z elektrónov môžu v dôsledku tepelného pohybu opustiť svoje atómy. Elektrón unikajúci z medziatómovej väzby sa stáva „ zadarmo“, a tam, kde bol predtým, sa vytvorí prázdne miesto, ktoré sa konvenčne nazýva diera.

Ako vyššie teplota polovodiča, viac stávajú sa voľnými elektrónmi a dierami. V dôsledku toho sa ukazuje, že tvorba „diery“ je spojená s odchodom valenčného elektrónu z obalu atómu a samotná diera sa stáva pozitívne elektrický náboj rovný negatívne náboj elektrónu.

Teraz sa pozrime na obrázok, ktorý schematicky znázorňuje fenomén výskytu prúdu v polovodiči.

Ak použijete nejaké napätie na polovodič, kontakty "+" a "-", potom sa v ňom objaví prúd.
Kvôli tepelné javy, v polovodičovom kryštáli z medziatómových väzieb začne byť prepustený určitý počet elektrónov (modré guličky so šípkami). Elektróny sú priťahované pozitívne pól zdroja napätia bude pohybovať sa smerom k nemu, zanechávajúc za sebou diery, ktoré vyplnia ostatní uvoľnené elektróny. To znamená, že pôsobením vonkajšieho elektrického poľa získavajú nosiče náboja určitú rýchlosť smerového pohybu a tým vytvárajú elektriny.

Napríklad: uvoľnený elektrón najbližšie ku kladnému pólu zdroja napätia priťahoval tento pól. Prerušenie medziatómovej väzby a jej opustenie, elektrón listy po sebe diera. Ďalší uvoľnený elektrón, ktorý sa nachádza na niekt odstránenie aj z kladného pólu priťahoval pól a sťahovanie smerom k nemu, ale po stretnutí diera v ceste, priťahuje ho jadro atóm, ktorý obnovuje medziatómovú väzbu.

Výsledný Nový diera po druhom elektróne, vypĺňa tretí uvoľnený elektrón, umiestnený vedľa tohto otvoru (obrázok č. 1). Vo svojom poradí diery, ktoré sú najbližšie negatívne pól, naplnený iným uvoľnené elektróny(Obrázok č. 2). V polovodiči teda vzniká elektrický prúd.

Pokiaľ polovodič funguje elektrické pole, tento proces nepretržitý: prerušia sa medziatómové väzby - objavia sa voľné elektróny - vznikajú diery. Otvory sa vyplnia uvoľnenými elektrónmi - obnovia sa medziatómové väzby, pričom sa prerušia ďalšie medziatómové väzby, z ktorých elektróny odchádzajú a zapĺňajú nasledujúce otvory (obrázok č. 2-4).

Z toho vyvodíme záver: elektróny sa pohybujú zo záporného pólu zdroja napätia na kladný a diery sa pohybujú z kladného pólu na záporný.

Elektrón-dierová vodivosť.

V „čistom“ polovodičovom kryštáli číslo prepustený elektrónov sa v súčasnosti rovná počtu vznikajúce v tomto prípade sú otvory, takže elektrická vodivosť takéhoto polovodiča malý, pretože poskytuje elektrický prúd veľký odpor a táto elektrická vodivosť sa nazýva vlastné.

Ale ak pridáme k polovodiču vo forme nečistoty určitý počet atómov iných prvkov, potom sa jeho elektrická vodivosť výrazne zvýši a v závislosti od štruktúry atómov prímesových prvkov, bude elektrická vodivosť polovodiča elektronické alebo perforovaný.

elektronická vodivosť.

Predpokladajme, že v polovodičovom kryštáli, v ktorom majú atómy štyri valenčné elektróny, sme jeden atóm nahradili atómom, v ktorom päť valenčné elektróny. Tento atóm štyri elektróny sa spoja so štyrmi susednými atómami polovodiča a piaty valenčný elektrón zostane nadbytočný“ znamená zadarmo. A potom viac viac budú voľné elektróny, čo znamená, že takýto polovodič sa svojimi vlastnosťami priblíži ku kovu a aby ním prešiel elektrický prúd, medziatómové väzby nemusia byť zničené.

Polovodiče s takýmito vlastnosťami sa nazývajú polovodiče s vodivosťou typu " n“, alebo polovodiče n-typ. Tu latinské písmeno n pochádza zo slova „negatívne“ (negatívne) – teda „negatívne“. Z toho vyplýva, že v polovodiči n-typ Hlavná nosiče poplatkov sú - elektróny, a nie tie hlavné - diery.

dierové vedenie.

Zoberme si ten istý kryštál, ale teraz nahradíme jeho atóm atómom, v ktorom iba tri voľný elektrón. So svojimi tromi elektrónmi sa spojí iba s tri susedné atómy a na väzbu so štvrtým atómom mu nebude stačiť jeden elektrón. V dôsledku toho sa tvorí diera. Prirodzene, bude naplnený akýmkoľvek iným voľným elektrónom v blízkosti, ale v žiadnom prípade nebude v kryštáli taký polovodič. uchmatnúť elektróny na vyplnenie dier. A potom viac v kryštáli budú také atómy, takže viac budú tam diery.

Aby sa voľné elektróny uvoľnili a pohybovali sa v takomto polovodiči, valenčné väzby medzi atómami musia byť zničené. Ale elektrónov stále nebude dosť, pretože počet dier bude vždy viac počet elektrónov v akomkoľvek danom čase.

Takéto polovodiče sa nazývajú polovodiče s perforovaný vodivosť alebo vodiče p-typ, čo v latinčine „pozitívny“ znamená „pozitívny“. Fenomén elektrického prúdu v polovodičovom kryštáli typu p je teda sprevádzaný spojitým vznik a zmiznutie kladné náboje sú diery. A to znamená, že v polovodiči p-typ Hlavná nosiče náboja sú diery, a nie základné - elektróny.

Teraz, keď už trochu rozumiete javom vyskytujúcim sa v polovodičoch, nebude pre vás ťažké pochopiť princíp fungovania polovodičových rádiových komponentov.

Zastavme sa pri tom a zvážime zariadenie, princíp činnosti diódy, analyzujeme jej charakteristiku prúdového napätia a spínacie obvody.
Veľa štastia!

Zdroj:

1 . Borisov V.G. - Mladý rádioamatér. 1985
2 . Webová stránka Academy.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Aké sú jeho vlastnosti? Aká je fyzika polovodičov? Ako sú postavené? Čo je to polovodičová vodivosť? Aké fyzikálne vlastnosti majú?

Čo je to polovodič?

Týka sa to kryštalických materiálov, ktoré nevedú elektrinu tak dobre ako kovy. Ale napriek tomu je tento ukazovateľ lepší ako izolátory. Takéto vlastnosti sú spôsobené množstvom mobilných operátorov. Všeobecne povedané, existuje silná väzba na jadrá. Ale keď sa do vodiča zavedie niekoľko atómov, napríklad antimón, ktorý má prebytok elektrónov, táto situácia sa napraví. Pri použití india sa získajú prvky s kladným nábojom. Všetky tieto vlastnosti sú široko používané v tranzistoroch - špeciálnych zariadeniach, ktoré môžu zosilňovať, blokovať alebo prepúšťať prúd iba v jednom smere. Ak vezmeme do úvahy prvok typu NPN, môžeme si všimnúť významnú zosilňovaciu úlohu, ktorá je obzvlášť dôležitá pri prenose slabých signálov.

Dizajnové prvky, ktoré majú elektrické polovodiče

Vodiče majú veľa voľných elektrónov. Izolátory ich prakticky vôbec nemajú. Polovodiče na druhej strane obsahujú určité množstvo voľných elektrónov a medzier s kladným nábojom, ktoré sú pripravené prijať uvoľnené častice. A čo je najdôležitejšie, všetky vedú.Typ tranzistora NPN, o ktorom sme hovorili vyššie, nie je jediným možným polovodičovým prvkom. Existujú teda aj tranzistory PNP, ako aj diódy.

Ak hovoríme krátko o druhom, potom je to taký prvok, ktorý dokáže prenášať signály iba jedným smerom. Dióda môže tiež zmeniť striedavý prúd na jednosmerný prúd. Aký je mechanizmus takejto transformácie? A prečo sa pohybuje len jedným smerom? V závislosti od toho, odkiaľ prúd pochádza, sa elektróny a medzery môžu rozchádzať alebo smerovať k sebe. V prvom prípade je v dôsledku zväčšenia vzdialenosti napájanie prerušené, a preto sa prenos záporných nosičov napätia uskutočňuje iba v jednom smere, to znamená, že vodivosť polovodičov je jednostranná. Koniec koncov, prúd môže byť prenášaný iba vtedy, ak sú častice v blízkosti. A to je možné iba vtedy, keď je prúd aplikovaný z jednej strany. Tieto typy polovodičov existujú a v súčasnosti sa používajú.

Štruktúra pásma

Elektrické a optické vlastnosti vodičov súvisia so skutočnosťou, že keď sú energetické hladiny naplnené elektrónmi, sú oddelené od možných stavov zakázaným pásmom. Aké sú jej vlastnosti? Faktom je, že v pásme nie sú žiadne energetické hladiny. Pomocou nečistôt a štrukturálnych defektov sa to dá zmeniť. Najvyšší úplne vyplnený pás sa nazýva valenčný pás. Potom nasleduje povolené, ale prázdne. Nazýva sa to vodivé pásmo. Fyzika polovodičov je pomerne zaujímavá téma a v rámci článku bude dobre pokrytá.

Elektrónový stav

Na tento účel sa používajú pojmy ako počet povolených zón a kvázi-hybnosť. Štruktúru prvého určuje zákon rozptylu. Hovorí, že je ovplyvnená závislosťou energie od kvázi-hybnosti. Ak je teda valenčný pás úplne vyplnený elektrónmi (ktoré nesú náboj v polovodičoch), potom hovoria, že v ňom nie sú žiadne elementárne excitácie. Ak z nejakého dôvodu nie je žiadna častica, znamená to, že sa tu objavila kladne nabitá kvázi častica - medzera alebo diera. Sú nosičmi náboja v polovodičoch vo valenčnom pásme.

Degenerované zóny

Valenčný pás v typickom vodiči je šesťkrát degenerovaný. Toto sa neberie do úvahy interakcia spin-orbita a len vtedy, keď je kvázi-hybnosť nulová. Môže sa rozdeliť za rovnakých podmienok na dvojité a štvornásobné degenerované pásy. Energetická vzdialenosť medzi nimi sa nazýva spin-orbit spliting energy.

Nečistoty a defekty v polovodičoch

Môžu byť elektricky neaktívne alebo aktívne. Použitie prvého umožňuje získať kladný alebo záporný náboj v polovodičoch, ktorý môže byť kompenzovaný objavením sa diery vo valenčnom pásme alebo elektrónu vo vodivom pásme. Neaktívne nečistoty sú neutrálne a majú relatívne malý vplyv na elektronické vlastnosti. Okrem toho môže často záležať na tom, akú mocnosť majú atómy, ktoré sa zúčastňujú procesu prenosu náboja, a na štruktúre

V závislosti od druhu a množstva nečistôt sa môže meniť aj pomer medzi počtom dier a elektrónov. Preto musia byť polovodičové materiály vždy starostlivo vybrané, aby sa dosiahol požadovaný výsledok. Predchádza tomu značný počet výpočtov a následne experimentov. Častice, ktoré sa väčšinou označujú ako väčšinové nosiče náboja, nie sú primárne.

Dávkované zavádzanie nečistôt do polovodičov umožňuje získať zariadenia s požadovanými vlastnosťami. Poruchy polovodičov môžu byť aj v neaktívnom alebo aktívnom elektrickom stave. Dôležitá je tu dislokácia, intersticiálny atóm a vakancia. Kvapalné a nekryštalické vodiče reagujú na nečistoty inak ako kryštalické. Absencia tuhej štruktúry v konečnom dôsledku vedie k tomu, že vytesnený atóm dostane inú valenciu. Bude sa líšiť od tej, ktorou si na začiatku nasýti kravaty. Pre atóm sa stáva nerentabilné dať alebo pridať elektrón. V tomto prípade sa stáva neaktívnym, a preto dopované polovodiče majú veľkú šancu na zlyhanie. To vedie k tomu, že pomocou dopingu nie je možné zmeniť typ vodivosti a vytvoriť napríklad p-n prechod.

Niektoré amorfné polovodiče môžu vplyvom dopingu meniť svoje elektronické vlastnosti. Ale to platí pre nich v oveľa menšej miere ako pre kryštalické. Citlivosť amorfných prvkov na doping je možné zlepšiť spracovaním. Na záver by som rád poznamenal, že vďaka dlhej a tvrdej práci sú dopované polovodiče stále zastúpené množstvom výsledkov s dobrými vlastnosťami.

Štatistika elektrónov v polovodiči

Ak existuje, počet dier a elektrónov je určený výlučne teplotou, parametrami štruktúry pásu a koncentráciou elektricky aktívnych nečistôt. Pri výpočte pomeru sa predpokladá, že niektoré častice budú v pásme vodivosti (na úrovni akceptora alebo donoru). Zohľadňuje aj skutočnosť, že časť môže opustiť valenčné územie a tvoria sa tam medzery.

Elektrická vodivosť

V polovodičoch môžu okrem elektrónov pôsobiť ako nosiče náboja aj ióny. Ale ich elektrická vodivosť je vo väčšine prípadov zanedbateľná. Ako výnimku možno uviesť iba iónové supravodiče. Existujú tri hlavné mechanizmy prenosu elektrónov v polovodičoch:

1. Hlavná zóna. V tomto prípade sa elektrón dostane do pohybu v dôsledku zmeny jeho energie na rovnakom povolenom území.
2. Skákanie prestupu cez lokalizované štáty.
3. Polaron.

exciton

Diera a elektrón môžu tvoriť viazaný stav. Nazýva sa Wannier-Mott excitón. V tomto prípade, ktorý zodpovedá absorpčnej hrane, klesá o veľkosť väzby. Pri dostatočnej energii môže v polovodičoch vzniknúť značné množstvo excitónov. Keď sa ich koncentrácia zvyšuje, dochádza ku kondenzácii a vytvára sa kvapalina s elektrónovými dierami.

Polovodičový povrch

Tieto slová označujú niekoľko atómových vrstiev, ktoré sa nachádzajú blízko okraja zariadenia. Vlastnosti povrchu sa líšia od objemových vlastností. Prítomnosť týchto vrstiev narušuje translačnú symetriu kryštálu. To vedie k takzvaným povrchovým stavom a polaritónom. Pri rozvíjaní témy posledne menovaného by sme mali informovať aj o spinových a vibračných vlnách. Vďaka svojej reaktivite je povrch pokrytý mikroskopickou vrstvou cudzích molekúl alebo atómov, ktoré boli adsorbované z prostredia. Určujú vlastnosti týchto niekoľkých atómových vrstiev. Našťastie vytvorenie technológie ultravysokého vákua, pri ktorej vznikajú polovodičové prvky, umožňuje získať a udržiavať čistý povrch niekoľko hodín, čo má pozitívny vplyv na kvalitu výsledných produktov.

Polovodič. Teplota ovplyvňuje odpor

Keď sa teplota kovov zvyšuje, zvyšuje sa aj ich odolnosť. Pri polovodičoch je to naopak – za rovnakých podmienok sa im tento parameter zníži. Ide o to, že elektrická vodivosť akéhokoľvek materiálu (a táto charakteristika je nepriamo úmerná odporu) závisí od toho, aký prúdový náboj majú nosiče, od rýchlosti ich pohybu v elektrickom poli a od ich počtu v objemovej jednotke. materiál.

V polovodičových prvkoch sa so zvyšujúcou sa teplotou zvyšuje koncentrácia častíc, v dôsledku čoho sa zvyšuje tepelná vodivosť a znižuje sa odpor. Môžete to skontrolovať, ak máte jednoduchú zostavu mladého fyzika a potrebný materiál - kremík alebo germánium, môžete si vziať aj polovodič vyrobený z nich. Zvýšenie teploty zníži ich odpor. Aby ste sa o tom uistili, musíte sa zásobiť meracími prístrojmi, ktoré vám umožnia vidieť všetky zmeny. Toto je vo všeobecnom prípade. Pozrime sa na pár súkromných možností.

Odolnosť a elektrostatická ionizácia

Je to spôsobené tunelovaním elektrónov prechádzajúcich cez veľmi úzku bariéru, ktorá dodáva približne jednu stotinu mikrometra. Nachádza sa medzi okrajmi energetických zón. Jeho vzhľad je možný iba pri naklonení energetických pásov, ku ktorému dochádza iba pod vplyvom silného elektrického poľa. Keď dôjde k tunelovaniu (čo je kvantový mechanický efekt), potom elektróny prechádzajú cez úzku potenciálnu bariéru a ich energia sa nemení. To znamená zvýšenie koncentrácie nosičov náboja a to v oboch pásmach: vo vodivosti aj valencii. Ak sa rozvinie proces elektrostatickej ionizácie, môže dôjsť k tunelovému rozpadu polovodiča. Počas tohto procesu sa zmení odpor polovodičov. Je to reverzibilné a akonáhle sa elektrické pole vypne, všetky procesy sa obnovia.

Odolná a nárazová ionizácia

V tomto prípade sa diery a elektróny urýchľujú, zatiaľ čo prechádzajú strednou voľnou dráhou pod vplyvom silného elektrického poľa na hodnoty, ktoré prispievajú k ionizácii atómov a rozbitiu jednej z kovalentných väzieb (hlavný atóm alebo nečistota ). Nárazová ionizácia prebieha ako lavína a nosiče náboja sa v nej množia ako lavína. V tomto prípade sú novovzniknuté diery a elektróny urýchlené elektrickým prúdom. Hodnota prúdu v konečnom výsledku sa vynásobí koeficientom nárazovej ionizácie, ktorý sa rovná počtu párov elektrón-diera, ktoré sú tvorené nosičom náboja v jednom segmente dráhy. Vývoj tohto procesu v konečnom dôsledku vedie k lavínovému rozpadu polovodiča. Odpor polovodičov sa tiež mení, ale rovnako ako v prípade prierazu tunela je reverzibilný.

Využitie polovodičov v praxi

Osobitný význam týchto prvkov je potrebné poznamenať v počítačových technológiách. Takmer nepochybujeme o tom, že by vás nezaujímala otázka, čo sú to polovodiče, keby nebolo túžby samostatne zostaviť objekt pomocou nich. Nie je možné si predstaviť prácu moderných chladničiek, televízorov, počítačových monitorov bez polovodičov. Nezaobídete sa bez nich a pokročilého automobilového vývoja. Používajú sa aj v letectve a kozmickej technike. Rozumiete, čo sú polovodiče, aké sú dôležité? Nedá sa samozrejme povedať, že sú to jediné nenahraditeľné prvky pre našu civilizáciu, no ani ich netreba podceňovať.

Použitie polovodičov v praxi je tiež spôsobené množstvom faktorov, vrátane širokého používania materiálov, z ktorých sú vyrobené, a jednoduchosti spracovania a získania požadovaného výsledku a ďalších technických vlastností, vďaka ktorým je výber vedcov ktorí vyvinuli elektronické zariadenia, sa na nich usadili.

Záver

Podrobne sme skúmali, čo sú polovodiče, ako fungujú. Ich odolnosť je založená na zložitých fyzikálnych a chemických procesoch. A môžeme vás upozorniť, že fakty opísané v článku úplne nepochopia, čo sú polovodiče, a to z jednoduchého dôvodu, že ani veda neštudovala vlastnosti ich práce až do konca. Ale poznáme ich hlavné vlastnosti a charakteristiky, ktoré nám umožňujú aplikovať ich v praxi. Preto môžete hľadať polovodičové materiály a experimentovať s nimi sami, pričom buďte opatrní. Ktovie, možno vo vás drieme veľký prieskumník?!

Fyzikálne vlastnosti pevných látok a predovšetkým ich elektrické vlastnosti nie sú určené tým, ako sa zóny vytvorili, ale tým, ako sú naplnené. Z tohto hľadiska možno všetky kryštalické telesá rozdeliť do dvoch rôznych skupín. Všetky telesá zahrnuté v prvej skupine sú vodičmi. Druhá skupina pevných látok kombinuje polovodiče a dielektriká. Druhá skupina zahŕňa telesá, v ktorých sú úplne prázdne zóny umiestnené nad úplne vyplnenými zónami. Do tejto skupiny patria aj kryštály s diamantovou štruktúrou: kremík, germánium, sivý cín, samotný diamant; a mnohé chemické zlúčeniny - oxidy kovov, karbidy, nitridy kovov, korund.

Polovodiče sa delia na vnútorné (čisté) a vonkajšie (dopované). Polovodiče s vysokým stupňom čistoty sa nazývajú vlastné. V tomto prípade sú vlastnosti celého kryštálu určené iba vlastnosťami vnútorných atómov polovodičového prvku. Vzhľad vodivých vlastností v polovodiči môže byť spôsobený zvýšením teploty, inými vonkajšími vplyvmi (ožarovanie svetlom, bombardovanie rýchlymi elektrónmi). Dôležité je len to, aby vonkajším pôsobením došlo k prechodu elektrónov z valenčného pásma do vodivého pásma alebo aby sa vytvorili podmienky pre vznik voľných nosičov náboja v objeme polovodiča. Vnútornú vodivosť s prísnou rovnosťou koncentrácií nosičov rôznych znakov možno realizovať iba v superčistých ideálnych polovodičových kryštáloch. V reálnych podmienkach sa vždy stretávame s kryštálmi znečistenými do tej či onej miery rôznymi nečistotami. Navyše sú to práve polovodiče nečistôt, o ktoré je v polovodičovej technike najväčší záujem. Nečistotové polovodiče sa v závislosti od druhu vnesenej nečistoty delia na donorové (elektronické) a akceptorové (dierové). Vytvorenie dier vo valenčnom páse znamená výskyt dierovej vodivosti v kryštáli. Vďaka tomuto typu vodivosti sa samotné polovodiče nazývajú dierové polovodiče alebo polovodiče typu p. Nečistoty zavedené do polovodiča na zachytávanie elektrónov z valenčného pásma sa nazývajú akceptory, a preto sa energetické hladiny týchto nečistôt nazývajú akceptorové hladiny a samotné polovodiče s takýmito nečistotami sa nazývajú akceptorové polovodiče.

Fotovodivosť je nerovnovážny proces v polovodičoch, ktorý spočíva vo vzhľade alebo zmene vodivých vlastností polovodiča pod vplyvom akéhokoľvek žiarenia (infračerveného, ​​viditeľného alebo ultrafialového). Ožarovanie polovodiča svetlom je spravidla sprevádzané zvýšením jeho elektrickej vodivosti. Zvýšenie vodivosti sa vysvetľuje zvýšením koncentrácie voľných nosičov (pohyblivosť nerovnovážnych nosičov sa prakticky nelíši od pohyblivosti rovnovážnych). Tvorba nadbytočných mobilných nosičov pri vystavení svetlu je možná z týchto troch hlavných dôvodov:

• svetelné kvantá, ktoré interagujú s elektrónmi umiestnenými na úrovniach donorov nečistôt a dávajú im energiu, prenášajú ich do vodivého pásma, čím zvyšujú koncentráciu vodivých elektrónov;
• svetelné kvantá excitujú elektróny nachádzajúce sa vo valenčnom pásme a prenášajú ich na akceptorové úrovne, čím vytvárajú voľné diery vo valenčnom pásme a zvyšujú dierovú vodivosť polovodiča;
• svetelné kvantá prenášajú elektróny z valenčného pásma priamo do vodivého pásma, čím súčasne vytvárajú mobilné diery aj voľné elektróny.

V súčasnosti sa polovodičové zariadenia používajú takmer vo všetkých oblastiach elektroniky a rádiotechniky. Napriek extrémnej rozmanitosti týchto zariadení sú však zvyčajne založené na prevádzke konvenčného p-n prechodu alebo systému niekoľkých p-n prechodov. Polovodičová dióda obsahuje iba jeden p-n prechod, ku ktorej každej oblasti sú kovové vstupy pripojené pomocou ohmických kontaktov. Polovodičové diódy sa používajú hlavne na usmernenie striedavého prúdu.

Na rozdiel od polovodičových diód sú tranzistory polovodičové systémy pozostávajúce z troch oblastí oddelených dvoma p-n prechodmi. Každá oblasť má svoj vlastný výstup. Preto sa analogicky s vákuovými triódami tranzistory často nazývajú polovodičové triódy. A podľa dohody sú tranzistory podobné vákuovým triódam: hlavnou oblasťou ich použitia je zosilnenie elektrických signálov v napätí a výkone. Aby sa získali tranzistory v polovodičovej monokryštálovej doske s určitým typom vodivosti, na jej dvoch protiľahlých stranách sa pritaví alebo difúzne prenikne nečistota, ktorá dodáva vodivosť opačného typu do oblastí blízko povrchu. Môžete vytvoriť tranzistor typu p-n-p a n-p-n. Nie je medzi nimi zásadný rozdiel. V tranzistoroch typu p-n-p hrajú hlavnú úlohu diery a v tranzistoroch typu n-p-n elektróny.

Polovodiče rýchlo prenikli do vedy a techniky. Obrovské úspory v spotrebe energie, úžasná kompaktnosť zariadení vďaka nezvyčajne vysokej hustote zabaľovania prvkov v obvodoch, vysoká spoľahlivosť umožnili polovodičom získať vedúce postavenie v elektronike, rádiotechnike a vede. Výskum vo vesmíre, kde sú požiadavky na veľkosť, hmotnosť a spotrebu energie také kritické, je v súčasnosti nemysliteľný bez polovodičových zariadení, ktoré mimochodom získavajú energiu pri autonómnom lete zariadenia zo solárnych batérií fungujúcich na polovodičových prvkoch. Prekvapivé vyhliadky vo vývoji polovodičovej techniky otvorila mikroelektronika. Možnosti polovodičov však nie sú ani zďaleka vyčerpané a čakajú na svojich nových výskumníkov.

Polovodičové aplikácie

V súčasnosti sa polovodičové zariadenia používajú takmer vo všetkých oblastiach elektroniky a rádiotechniky. Napriek extrémnej rozmanitosti týchto zariadení sú však zvyčajne založené na prevádzke konvenčného p-n prechodu alebo systému niekoľkých p-n prechodov.

Polovodičová dióda obsahuje iba jeden p-n prechod, ku ktorej každej oblasti sú kovové vstupy pripojené pomocou ohmických kontaktov.

usmerňovacie diódy. Polovodičové diódy sa používajú hlavne na usmernenie striedavého prúdu. Najjednoduchšia schéma použitia polovodičovej diódy ako usmerňovacieho prvku je znázornená na obrázku 1. Zdroj striedavého napätia i-, dióda D a zaťažovací odpor Rn sú zapojené do série. Smer toku diódy je označený šípkou (od anódy ku katóde).

Nech sa napätie na svorkách zdroja mení podľa sínusového zákona (obr. 2, a). Počas kladného polcyklu, keď sa „+“ aplikuje na anódu diódy a „-“ na katódu, dióda sa zapne v smere dopredu a preteká ňou prúd. V tomto prípade je okamžitá hodnota prúdu I určená okamžitou hodnotou napätia a na svorkách zdroja a odporom záťaže (odpor diódy v priepustnom smere je malý a možno ho zanedbať). Počas zápornej polovice cyklu nepreteká diódou žiadny prúd. V obvode teda prúdi pulzujúci prúd, ktorého graf je znázornený na obrázku 2, b. Rovnaké pulzovanie bude napätie un na zaťažovacom odpore. Pretože u=iR, zmena napätia u opakuje priebeh zmeny prúdu i. Polarita napätia vytvoreného na odpore záťaže je vždy rovnaká a určuje sa v súlade so smerom prenášaného prúdu: na konci odporu smerujúceho ku katóde bude „+“ a na opačnom konci. koniec "-".

Uvažovaná schéma rektifikácie je jedna polvlna. Na zníženie zvlnenia usmerneného napätia sa používajú vyhladzovacie filtre. Najjednoduchšou metódou vyhladzovania je pripojenie kondenzátora C paralelne k zaťažovaciemu odporu (zobrazené bodkovanou čiarou na obrázku 1). Počas kladného polcyklu ide časť prúdu prechádzajúceho diódou na nabíjanie kondenzátora. Počas zápornej polovice cyklu, keď je dióda zablokovaná, sa kondenzátor vybije cez Rp, čím sa v ňom vytvorí prúd v rovnakom smere. Vďaka tomu je zvlnenie napätia na zaťažovacom odpore do značnej miery vyhladené.