Физические основы работы полупроводниковых приборов кратко

Реле частоты РЧ-1 — Физические основы работы полупроводниковых приборов

2. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ
Полупроводниковый диод является одной из разновидностей вентиля, т. е. такого элемента, который пропускает ток только в одном направлении. При приложении напряжения в прямом направлении сопротивление идеального вентиля равно нулю, падение напряжения п.» нем отсутствует, ток ограничивается с помощью сопротивления других элементов цепи. При приложении напряжения в обратном направлении сопротивление вентиля бесконечно велико, все действующее в цепи напряжение приложено к вентилю, ток в цепи не проходит.

Рис, 9. Схематическое изображение полупроводникового диода.
Полупроводниковый диод (в дальнейшем — диод) состоит из двух слоев кристалла (рис. 9), в одном из которых за счет введения так называемых донорных примесей имеется излишек свободных электронов в кристаллической решетке атомов (гс-слой), а в другом наблюдается их недостаток, или, как принято говорить, есть излишек «дырок» (р-слой). Излишек дырок образуется за счет введения так называемых акцепторных
Примесей. При этом каждый слой электрически нейтрален, а излишек (или недостаток) электронов рассматривается относительно свободных мест для них в кристаллической решетке основного материала.
В большинстве случаев в качестве основного кристалла используют германий или кремний, т. е. элементы IV группы, в состав атомов которых входят четыре валентных электрона. Тогда в качестве донорных примесей применяют элементы V группы, имеющие по пять валентных электронов в атоме — сурьму, фосфор, мышьяк. В качестве акцепторных примесей применяют элементы III группы, имеющие по три валентных электрона, например индий, галлий и бор.
Атомы примеси внедряются в кристаллическую решетку основного материала. При этом каждый атом примеси (как и атом основного материала) должен связаться, т. е. иметь общие электроны, с четырьмя соседними атомами основного материала. У донор пых примесей из пяти валентных электронов четыре входят в связь с четырьмя атомами основного полупроводникового кристалла, а один остается свободным. Получается кристалл с свободными электронами, из которого образуется п-слой (в диодах и других полупроводниковых приборах). У акцепторных примесей для связи с четырьмя атомами основного материала одного электрона не хватает, т. е. образуется дырка. Из такого кристалла образуется р-слой.
На границе соприкосновения слоев (рис. 9) при отсутствии внешнего электрического поля часть электронов из п-слоя переходит в р-слой. Из-за этого р-слой получает отрицательный заряд, а n-слой положительный. В прилежащей к границе своев области возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронов в р-слой. Близкая к границе слоев зона, в которой действует внутреннее электрическое поле, называется р-н-переходом.
Если приложить к диоду напряжение В прямом направлении, т. е. плюс к р-слою, а минус к n-слою, то электрическое иоле от приложенного напряжения скомпенсирует внутреннее электрическое поле в р-н-переходе. Свободные электроны получат возможность перемещаться в р-слой к притягивающему их положительному электроду. Точно также дырки получат возможность перемещаться в n-й слой к отрицательному электроду.
По диоду пойдет ток в прямом направлении. Вместо уходящих из л-слоя электронов от источника питания поступят новые, поэтому оба слоя будут по-прежнему электрически нейтральными. После отключения источника питания ток через диод прекратится, авр-и л-слоях останутся свободные электроны и дырки в такой же концентрации, что и до прохождения тока.
Если напряжение приложить в обратном направлении, т. е. плюс к ft-слою, то электрическое поле от приложенного напряжения усилит внутреннее поле в р-л-переходе. Отрицательный электрод (присоединенный к р-слою) будет отталкивать от себя свободные электроны n-слоя, прохождение тока в прямом направлении станет невозможным. При этом некоторое количество электронов может перемещаться из р-слоя в n-слой, образуя обратный ТОК /обр. Однако этот ток очень мал, так как свободные электроны в р-слое практически отсутствуют.
При увеличении обратного напряжения Uобр происходит резкое лавинообразное увеличение /0бр за счет ионизации р-слоя под действием электрического поля и повышения температуры. Это явление называется пробоем диода. Напряжение, при котором наступает пробой, называется напряжением пробоя. Вольт-амперная характеристика реального диода Д226 показана на рис. 10. Масштабы для прямых и обратных токов (напряжений) на рисунке различны в связи с разным порядком их величин.
Основными параметрами диодов являются допустимое обратное напряжение Uoбр.max наибольший обратный ток Iобр, допустимый ток в прямом направлении Iдоп, падение напряжения в прямом направлении Uпр
В реле РЧ применены кремниевые диоды Д223 и Д226. Они используются в основном для разделения цепей и образования диодных ключей.

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода.
Полупроводниковый стабилитрон представляет собой кремниевый диод с повышенной концентрацией электронов и дырок, поэтому р-л-переход у него получается достаточно узким и при приложении к диоду относительно небольшого обратного напряжения в р-п-переходе получается значительная напряженность электрического поля. Появляется возможность непосредственного перехода электронов из р-слоя в n-слой (электрический

Рис. П. Вольт-амперные характеристики стабилитронов.
я —полная; б — обычно изображаемая часть полной характеристики, являющаяся рабочей.

пробой перехода), это приводит к быстрому увеличению обратного тока при практически постоянном приложенном напряжении. Если ограничивать обратный ток с помощью сопротивлений элементов внешней цепи и не допускать перегрева диода, то он не разрушается. При уменьшении обратного напряжения обратный ток резко снижается.
Обратное напряжение, при котором наступает электрический пробой, остается практически постоянным. Оно используется в качестве стабилизированного напряжения. Если включить стабилитрон в прямом направлении, то он ведет себя как обычный диод. Падение напряжения в прямом направлении составляет 0,5—1 В. Полная характеристика стабилитрона (как диода) и его рабочая характеристика показаны на рис. 11. Основным параметром стабилитрона является напряжение стабилизации Uот, т. е. обратное напряжение на стабилитроне при прохождении по нему тока определенной для данного типа стабилитрона величины и температуре 20°С. Напряжение UCT для разных стабилитронов одного типа (при одном и том же токе) бывает различным, отклонения обычно составляют ±10°/о среднего значения U ст.
Важными параметрами стабилитрона являются минимальный Ict.min и максимальный max обратный ток и рассеиваемая мощность. При токе через стабилитрон меньше Ict.min напряжение на нем сильно зависит от тока, т. е. уже не является стабилизированным. При токе больше Iст.max стабилитрон сильно нагревается и может выйти из строя.

Рис. 13. Транзистор р-п-р. I — эмиттерный переход; г —коллекторный переход.
Колебания стабилизированного напряжения, вызванные изменением в допустимых пределах тока через стабилитрон и температуры, составляют обычно 3—5%£/Ст- для используемых в РЧ стабилитронов это доли вольта. Более существенное изменение UCi может произойти при замене стабилитрона.
При использовании стабилитрона для получения стабилизированного напряжения его включают так, как показано на рис. 12. При изменении входного напряжения t/в* примерно пропорционально изменяется ток стабилитрона Iст- Кроме того, /ст изменяется при изменении нагрузки. Увеличение тока по нагрузке Iнатр приводит к увеличению падения напряжения на балластном резисторе из-за чего ток по стабилитрону уменьшается. Если колебания входного напряжения и тока нагрузки таковы, что Iст остается в пределах допустимого тока (не меньше минимального и не больше максимального), то напряжение на стабилитроне и, следовательно, на нагрузке остается практически постоянным.

В реле РЧ, как и в ряде других полупроводниковых устройств, стабилитроны применяют именно для получения постоянного стабилизированного напряжения. Совместно с балластными резисторами они являются основными элементами блока питания реле.
Для реле РЧ применяют стабилитроны Д815А и Д816А, для которых напряжение стабилизации соответственно составляет примерно 6 и 22 В.
Полупроводниковый триод или транзистор состоит из трех слоев кристалла: р-п-р или п-р-п. В качестве основного кристалла используют германий или кремний. Большее применение имеют транзисторы р-п-р с так называемой прямой проводимостью. Рассмотрим принцип их действия. Схема транзистора изображена на рис.13. Левый р-слой называется эмиттером Э, правый — коллектором К, средний n-слой — базой Б. Концентрация дырок в эмиттере и коллекторе значительно выше, чем концентрация свободных электронов в базе. На границах слоев, как и в полупроводниковом диоде, образуются р-п переходы. Переход на границе эмиттера и базы называется эмиттерным переходом, а на границе коллектора и базы — коллекторным переходом.
Чтобы пропустить через транзистор ток, к слоям нужно приложить напряжение так, как это показано на рис. 13. К эмиттерному переходу приложено напряжение Uаб в прямом направлении (плюс к р-слою). Переход открыт, и дырки поступают из эмиттера в базу, образуя эмиттерный ток Iэ- Часть из них, соответствующая числу свободных электронов в базе, уходит из базы во внешнюю цепь, образуя ток баз Iб. Поскольку концентрация свободных электронов в базе значительно меньше концентрации дырок в эмиттере, в создании участвует лишь 5—10% общего числа дырок, поступивших в базу нз эмиттера. Остальные дырки иод воздействием электрического поля, созданного коллекторным напряжением Uб,к, через коллекторный переход поступают в коллектор и затем во внешнюю цепь, образуя коллекторный ток /к. Этот ток является обратным для коллекторного перехода. Но переход не разрушается, поскольку ток создается не за счет ионизации слоев, а за счет притока дырок из эмиттера. Этот ток ограничивают таким образом, чтобы транзистор не перегревался. В рассмотренном режиме под действием приложенного напряжения эмиттер-—коллектор Uэк через транзистор проходит ток Iн, транзистор открыт. Ток 1и, т. е. степень открытия транзистора, при прочих равных условиях определяется напряжением эмиттер — база. Полностью открытый транзистор имеет очень небольшое внутреннее. Сопротивление; падение напряжений в используемых транзисторах не превышает 0,2 В.

Рис. 15. Транзистор п-р-п.
J — эмиттерный переход; 2 — коллекторный переход.
Если базу сделать положительнее эмиттера (рис. 14), то эмиттерный и коллекторный переходы окажутся закрытыми. По коллекторному переходу при этом проходит обратный ток Iк,о, составляющий для современных транзисторов единицы и доли микроампер. Несмотря на приложенное, как и в предыдущем случае, напряжение Uэк ток через транзистор (т. е. по цепи эмиттер — коллектор) практически не проходит, транзистор закрыт.

Рис. 14. Подведение напряжений к транзистору р-п-р для его закрытия.
Таким образом, незначительное изменение управляющего напряжения Uэб вызывает изменение тока через транзистор от нуля до максимального значения, переводит транзистор из открытого состояния в закрытое (и наоборот).
Сказанное выше относится и к транзисторам с обратной проводимостью типа п-р-п. Для прохождения через такой транзистор тока к нему следует подвести напряжение так, как показано на рис. 15. В этом случае эмиттер является источником свободных электронов, которые проходя через эмиттерный и коллекторный переходы, создают ток I0, h и Iк- Поскольку направление тока совпадает с перемещением положительных зарядов, считается, что ток через открытый п-р-п транзистор проходит от коллектора к эмиттеру. Противоположное направление токов в транзисторах разной проводимости учитывается в их условных изображениях. На рис. 16 стрелка направлена для транзистора р-п-р от эмиттера к базе, а для п-р-п от базы к эмиттеру.
В реле РЧ транзисторы включены по схеме с общим эмиттером; используют только полностью открытое или полностью закрытое состояние транзисторов, т. е. они работают в ключевом режиме.
Необходимо отметить еще одну особенность транзистора Поскольку эмиттер и коллектор представляют собой слои полупроводника одной и той же проводимости, принципиально возможна работа транзистора с обратной полярностью напряжения эмиттер—коллектор (рис 17) При этом коллектор играет роль эмиттера, и наоборот В таком случае транзистор открыт, если база будет отрицательнее коллектора Этот режим работы называется инверсным

Рис. 17. Работа транзисторов в инверсном режиме.
Мы рассмотрели работу полупроводниковых приборов очень упрощенно Принцип действия, устройство, характеристики полупроводниковых приборов, а также способы их использования достаточно широко освещены, например, в [1, 2], а технические данные и основные характеристики приведены, например, в [3].

Полупроводниковые приборы — виды, обзор и использование

Стремительное развитие и расширение областей применения электронных устройств обусловлено совершенствованием элементной базы, основу которой составляют полупроводниковые приборы . Поэтому, для понимания процессов функционирования электронных устройств необходимо знание устройства и принципа действия основных типов полупроводниковых приборов.

Полупроводниковые материалы по своему удельному сопротивлению занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками.

Основными материалами для производства полупроводниковых приборов являются кремний (Si), карбид кремния (SiС), соединения галлия и индия.

Электропроводность полупроводников зависит от наличия примесей и внешних энергетических воздействий (температуры, излучения, давления и т.д.). Протекание тока обуславливают два типа носителей заряда – электроны и дырки. В зависимости от химического состава различают чистые и примесные полупроводники.

Для изготовления электронных приборов используют твердые полупроводники, имеющие кристаллическое строение.

Полупроводниковыми приборами называются приборы, действие которых основано на использовании свойств полупроводниковых материалов.

Классификация полупроводниковых приборов

На основе беспереходных полупроводников изготавливаются полупроводниковые резисторы :

Линейный резистор — удельное сопротивление мало зависит от напряжения и тока. Является «элементом» интегральных микросхемах.

Варистор — сопротивление зависит от приложенного напряжения.

Терморезистор — сопротивление зависит от температуры. Различают два типа: термистор (с увеличением температуры сопротивление падает) и позисторы (с увеличением температуры сопротивление возрастает).

Фоторезистор — сопротивление зависит от освещенности (излучения). Тензорезистор — сопротивление зависит от механических деформаций.

Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода p-n – перехода .

Это полупроводниковый прибор с одним p-n-переходом и двумя выводами, работа которого основана на свойствах p-n — перехода.

Основным свойством p-n – перехода является односторонняя проводимость – ток протекает только в одну сторону. Условно-графическое обозначение (УГО) диода имеет форму стрелки, которая и указывает направление протекания тока через прибор.

Конструктивно диод состоит из p-n-перехода, заключенного в корпус (за исключением микромодульных бескорпусных) и двух выводов: от p-области – анод, от n-области – катод.

Т.е. диод – это полупроводниковый прибор, пропускающий ток только в одном направлении – от анода к катоду.

Зависимость тока через прибор от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) прибора I=f(U). Односторонняя проводимость диода видна из его ВАХ (рис. 1).

Рисунок 1 – Вольт-амперная характеристика диода

В зависимости от назначения полупроводниковые диоды подразделяют на выпрямительные, универсальные, импульсные, стабилитроны и стабисторы, туннельные и обращенные диоды, светодиоды и фотодиоды.

Односторонняя проводимость определяет выпрямительные свойства диода. При прямом включении («+» на анод и «-» на катод) диод открыт и через него протекает достаточно большой прямой ток. В обратном включении («-» на анод и «+» на катод) диод заперт, но протекает малый обратный ток.

Выпрямительные диоды предназначены для преобразования переменного тока низкой частоты (обычно менее 50 кГц) в постоянны, т.е. для выпрямления. Их основными параметрами являются максимально допустимый прямой ток Iпр mах и максимально допустимое обратное напряжение Uo6p max. Данные параметры называют предельными – их превышение может частично или полностью вывести прибор из строя.

С целью увеличения этих параметров изготавливают диодные столбы, сборки, матрицы, представляющие собой последовательно-параллальное, мостовое или другие соединения p-n-переходов.

Универсальные диоды служат для выпрямления токов в широком диапазоне частот (до нескольких сотен мегагерц). Параметры этих диодов те же, что и у выпрямительных, только вводятся еще дополнительные: максимальная рабочая частота (мГц) и емкость диода (пФ).

Импульсные диоды предназначены для преобразования импульсного сигнала, применяются в быстродействующих импульсных схемах. Требования, предъявляемые к этим диодам, связаны с обеспечением быстрой реакции прибора на импульсный характер подводимого напряжения — малым временем перехода диода из закрытого состояния в открытое и обратно.

Стабилитроны — это полупроводниковые диоды, падение напряжения на которых мало зависит от протекающего тока. Служат для стабилизации напряжения.

Варикапы — принцип действия основан на свойстве p-n-перехода изменять значение барьерной емкости при изменении на нем величины обратного напряжения. Применяются в качестве конденсаторов переменной емкости, управляемых напряжением. В схемах варикапы включаются в обратном направлении.

Светодиоды — это полупроводниковые диоды, принцип действия которых основан на излучении p-n-переходом света при прохождении через него прямого тока.

Фотодиоды – обратный ток зависит от освещенности p-n-перехода.

Диоды Шоттки – основаны на переходе металл-полупроводник, за счет чего обладают значительно более высоким быстродействием, нежели обычные диоды.

Рисунок 2 – Условно-графическое обозначение диоды

Подробнее о диодах смотрите здесь:

Транзистор — это полупроводниковый прибор, предназначенный для усиления, генерирования и преобразования электрических сигналов, а также коммутации электрических цепей.

Отличительной особенностью транзистора является способность усиливать напряжение и ток — действующие на входе транзистора напряжения и токи приводят к появлению на его выходе напряжений и токов значительно большей величины.

С распространением цифровой электроники и импульсных схем основным свойством транзистора является его способность находиться в открытом и закрытом состояниях под действием управляющего сигнала.

Свое название транзистор получил от сокращения двух английских слов tran(sfer) (re)sistor — управляемый резистор. Это название неслучайно, так как под действием приложенного к транзистору входного напряжения сопротивление между его выходными зажимами может регулироваться в очень широких пределах.

Транзистор позволяет регулировать ток в цепи от нуля до максимального значения.

— по принципу действия: полевые (униполярные), биполярные, комбинированные.

— по значению рассеиваемой мощности: малой, средней и большой.

— по значению предельной частоты: низко-, средне-, высоко- и сверхвысокочастотные.

— по значению рабочего напряжения: низко- и высоковольтные.

— по функциональному назначению: универсальные, усилительные, ключевые и др.

— по конструктивному исполнению: бескорпусные и в корпусном исполнении, с жесткими и гибкими выводами.

В зависимости от выполняемых функций транзисторы могут работать в трех режимах:

1) Активный режим — используется для усиления электрических сигналов в аналоговых устройствах. Сопротивление транзистора изменяется от нуля до максимального значения — говорят транзистор «приоткрывается» или «подзакрывается».

2) Режим насыщения — сопротивление транзистора стремится к нулю. При этом транзистор эквивалентен замкнутому контакту реле.

3) Режим отсечки — транзистор закрыт и обладает высоким сопротивлением, т.е. он эквивалентен разомкнутому контакту реле.

Режимы насыщения и отсечки используются в цифровых, импульсных и коммутационных схемах.

Биполярный транзистор — это полупроводниковый прибор с двумя p-n-переходами и тремя выводами, обеспечивающей усиление мощности электрических сигналов.

В биполярных транзисторах ток обусловлен движением носителей заряда двух типов: электронов и дырок, что и определяет их название.

На схемах транзисторы допускается изображать, как в окружности, так и без неё (рис. 3). Стрелка указывает направление протекания тока в транзисторе.

Рисунок 3 — Условно — графическое обозначения транзисторов n-p-n (а) и p-n-p (б)

Основой транзистора является пластина полупроводника, в которой сформированы три участка с чередующимся типом проводимости — электронным и дырочным. В зависимости от чередования слоев различают два вида структуры транзисторов: n-p-n (рис. 3, а) и p-n-p (рис. 3, б).

Эмиттер (Э) — слой, являющийся источником носителей заряда (электронов или дырок) и создающий ток прибора;

Коллектор (К) – слой, принимающий носители заряда, поступающие от эмиттера;

База (Б) — средний слой, управляющий током транзистора.

При включении транзистора в электрическую цепь один из его электродов является входным (включается источник входного переменного сигнала), другой — выходным (включается нагрузка), третий электрод — общий относительно входа и выхода. В большинстве случаев используется схема с общим эмиттером (рис 4). На базу подается напряжение не более 1 В, на коллектор более 1 В, например +5 В, +12 В, +24 В и т.п.

Рисунок 4 – Схемы включения биполярного транзистора с общим эмиттером

Ток коллектора возникает только при протекании тока базы Iб (определяется Uбэ). Чем больше Iб, тем больше Iк. Iб измеряется в единицах мА, а ток коллектора — в десятках и сотнях мА, т.е. IбIк. Поэтому при подаче на базу переменного сигнала малой амплитуды, малый Iб будет изменяться, и пропорционально ему будет изменяться большой Iк. При включении в цепь коллектора сопротивления нагрузки, на нем будет выделяться сигнал, повторяющий по форме входной, но большей амплитуды, т.е. усиленный сигнал.

К числу предельно допустимых параметров транзисторов в первую очередь относятся: максимально допустимая мощность, рассеиваемая на коллекторе Рк.mах, напряжение между коллектором и эмиттером Uкэ.mах, ток коллектора Iк.mах.

Для повышения предельных параметров выпускаются транзисторные сборки, которые могут насчитывать до нескольких сотен параллельно соединенных транзисторов, заключенных в один корпус.

Биполярные транзисторы ныне используются все реже и реже, особенно в импульсной силовой технике. Их место занимают полевые транзисторы MOSFET и комбинированные транзисторы IGBT , имеющие в этой области электроники несомненные преимущества.

В полевых транзисторах ток определяется движением носителей только одного знака (электронами или дырками). В отличии от биполярных, ток транзистора управляется электрическим полем, которое изменяет сечение проводящего канала.

Так как нет протекания тока во входной цепи, то и потребляемая мощность из этой цепи практически равна нулю, что несомненно является достоинством полевого транзистора.

Конструктивно транзистор состоит из проводящего канала n- или p-типа, на концах которого находятся области: исток, испускающий носители заряда и сток, принимающий носители. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором.

Полевой транзистор — это полупроводниковый прибор, регулирующий ток в цепи за счет изменения сечения проводящего канала.

Различают полевые транзисторы с затвором в виде p-n перехода и с изолированным затвором.

У полевых транзисторов с изолированным затвором между полупроводниковым каналом и металлическим затвором расположен изолирующий слой из диэлектрика — МДП-транзисторы (металл — диэлектрик — полупроводник), частный случай — окисел кремния — МОП-транзисторы.

МДП-транзистор со встроенным каналом имеет начальную проводимость, которая при отсутствии входного сигнала (Uзи = 0) составляет примерно половине от максимальной. В МДП-транзисторы с индуцированным каналом при напряжении Uзи=0 выходной ток отсутствует, Iс =0, так как проводящего канала изначально нет.

МДП-транзисторы с индуцированным каналом называют также MOSFET транзисторы. Используются в основном в качестве ключевых элементов, например в импульсных источниках питания.

Ключевые элементы на МДП-транзисторах имеют ряд преимуществ: цепь сигнала гальванически не связана с источником управляющего воздействия, цепь управления не потребляет тока, обладают двухсторонней проводимостью. Полевые транзисторы, в отличие от биполярных, не боятся перегрева.

Подробнее о транзисторах смотрите здесь:

Тиристор — это полупроводниковый прибор, работающие в двух устойчивых состояниях – низкой проводимости (тиристор закрыт) и высокой проводимости (тиристор открыт). Конструктивно тиристор имеет три или более p-n – переходов и три вывода.

Кроме анода и катода, в конструкции тиристора предусмотрен третий вывод (электрод), который называется управляющим.

Тиристор предназначен для бесконтактной коммутации (включения и выключения) электрических цепей. Характеризуются высоким быстродействием и способностью коммутировать токи весьма значительной величины (до 1000 А). Постепенно вытесняются коммутационными транзисторами.

Рисунок 5 — Условно — графическое обозначение тиристоров

Динисторы (двухэлектродные) — как и обычные выпрямительные диоды имеют анод и катод. С увеличением прямого напряжения при определенном значении Ua = Uвкл динистор открывается.

Тиристоры (тринисторы — трехэлектродные) — имеют дополнительный управляющий электрод; Uвкл изменяется током управления, протекающим через управляющий электрод.

Для перевода тиристора в закрытое состояние необходимо подать напряжение обратное (- на анод, + на катод) или уменьшить прямой ток ниже значения, называемого током удержания Iудер.

Запираемый тиристор – может быть переведен в закрытое состояние подачей управляющего импульса обратной полярности.

Симисторы (симметричные тиристоры) — проводят ток в обоих направлениях.

Тиристоры применяются в качестве бесконтактных переключателей и управляемых выпрямителей в устройствах автоматики и преобразователях электрического тока. В цепях переменного и импульсных токов можно изменять время открытого состояния тиристора, а значит и время протекания тока через нагрузку. Это позволяет регулировать мощность, выделяемую в нагрузке.

Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Физические основы полупроводников

Полупроводники или полупроводниковые соединения бывают собственными (чистыми) и с примесью (легированными). В чистых полупроводниках концентрация носителей заряда – свободных электронов и дырок невелика (составляет лишь 10 16 – 10 18 на 1 см 3 вещества; для сравнения, число Авогадро N_A = 6.62*10 23 ).

Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электронной при преобладании свободных электронов (полупроводник n типа) или дырочной при преобладании дырок (полупроводник p типа) – в чистые полупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называется легированием. В качестве легирующих примесей используют элементы 3 и 5 групп периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы 3 группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторным примесями, элементы 5 группы – электронную электропроводность называют донорными примесями.

Электронно-дырочный p-n переход представляет собой соединение двух полупроводников с различным типом проводимости.

Явление p-n перехода является основой полупроводниковой электроники, т.к. все полупроводниковые элементы представляют собой лишь набор p-n переходов, и различаются только их количеством, порядком следования и т.д. Параметры p-n переходов определяют главную характеристику полупроводниковых элементов – ВАХ (вольт-амперная характеристика).

Также необходимо отметить, что p-n переход обладает нелинейной зависимостью между током, протекающим через него, и приложенным к нему напряжением, вследствие этого все полупроводниковые элементы принципиально нелинейные.

ВАХ p-n перехода рассмотрена в статье про диоды.

Собственные полупроводники

Для лучшего понимания следующего материала неплохо было бы вспомнить школьный курс физики и химии. Ну а чтобы не слишком напрягать свой мозг, мы сделаем это вместе.

Электроны внешней оболочки атома называются валент­ными. Взаимное притяжение атомов осуществляется за счет об­щей пары валентных электронов (ковалентной связи), вращаю­щихся по одной орбите вокруг этих атомов. Валентные электроны как наиболее удаленные от ядра имеют с ним наиболее слабую связь и поэтому под воздействием электри­ческого поля, теплоты, света и других причин могут отделяться от атома или молекулы и становиться свободными.

Процесс отрыва и удаления одного или нескольких элек­тронов от атома или молекулы называется ионизацией.

Электроны в атоме обладают только вполне определенными значениями энергии, составляющими совокупность дискретных уровней энергии атома. В твердом теле при образовании кристал­лической решетки благодаря взаимодействию атомов энергетиче­ские уровни расщепляются и образуют энергетические зоны, со­стоящие из отдельных, близко расположенных по энергии уровней, число которых соответствует числу однородных атомов в данном теле. Совокупность уровней, на каждом из которых могут находиться электроны, называют валентной (разрешенной) зо­ной.

В энергетическом спектре твердого тела можно выделить три зоны: валентную (разрешенную) — 3, запрещенную — 2 и проводимости — 1.

Валентная зона характеризуется тем, что все энергетиче­ские уровни валентных электронов при температуре 0К заполне­ны ими. Зона проводимости характеризуется наличием электронов, обладаю­щих энергией, которая позволяет им освобождаться от связи с атомами и передвигаться внутри твердого тела под действием внешнего воздействия (например, электрического поля), при температуре 0К эта зона не заполнена электронами.

Запрещенная зона характеризуется тем, что в ее пределах нет энергетических уровней, на которых могли бы находиться электроны.

Ширина запрещенной зоны для большинства полупровод­ников составляет 0.1 — 3 эВ, а у полупроводников, предназначен­ных для создания высокотемпературных приборов, — 6 эВ. Для германия эта величина равна 0.72 эВ, для кремния — 1.12, для арсенида галлия — 1.4, для карбида кремния— 2.3 — 3,1, для фосфида галлия — 2.2 эВ.

Если ширина запрещенной зоны ΔW_з > 6 эВ, то при обычных условиях электроны практически не попадают в зону проводимо­сти, в связи с чем, такое вещество не проводит электрический ток и называется диэлектриком. У металлов и их сплавов запрещенная зона отсутствует, т.к. у них зона про­водимости и валентная зона перекрываются. Соответственно они обла­дают хорошей проводимостью и называются проводниками.

В полупроводниках при температуре, отличной от нуля, часть электронов обладает энергией, достаточной для перехода в зону проводимости. Электроны в зоне проводимости становятся свободными, их концентрация в собственном полупроводнике обозначается n_i.

Уход электрона из валентной зоны приводит к разрыву ковалентной связи и образованию в этой зоне незаполненного (сво­бодного) энергетического уровня (положительного заряда), назы­ваемого дыркой, концентрация которых в собственном полупроводнике обозначается p_i. Валентные электроны соседних атомов под воздействием электрического поля могут переходить на свободные уровни, создавая дырки в другом месте. При этом движение электронов можно рассматривать и как движение по­ложительных зарядов — дырок.

У абсолютно чистого и однородного полупроводника (концен­трация примесей настолько мала, что не оказывает существенного влияния на удельную проводимость полупроводника), при темпе­ратуре, отличной от 0К, образуются свободные электроны и дыр­ки. Процесс образования пар электрон — дырка называется генерацией. После своего возникновения дырка под действием тепловой энергии совершает хаотическое движение в валентной зоне так же, как электрон в зоне проводимости. При этом возмо­жен процесс захвата электронов зоны проводимости дырками ва­лентной зоны. Разорванные ковалентные связи восстанавливаются, а носители заряда — электрон и дырка — исчезают. Процесс ис­чезновения нар электрон — дырка называется рекомбинацией. Он сопровождается выделением энергии, которая идет на нагрев кри­сталлической решетки и частично излучается во внешнюю среду.

Промежуток времени с момента генерации носителя до его исчезновения (рекомбинации) называется временем жизни носи­теля τ, а расстояние, пройденное носителем заряда за время жиз­ни, диффузионной длиной L, Более строго диффузионная длина определяется как расстояние, на котором концентрация носите­лей уменьшается в е раз (е ≈ 2.7). Диффузионная длина и время жизни электронов и дырок связаны между собой соотношениями:

D_n и D_p – коэффициенты диффузии электронов и дырок соответственно.

Процесс занятия электронами того или иного энергетиче­ского уровня носит вероятностный характер и описывается функ­цией распределения Ферми — Дирака:

W – энергия свободного электрона;

W_f – энергетический уровень Ферми, функция Ферми для которого равна 0.5 при температурах отличных от 0К;

k – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура.

В чистом (собственном) полупроводнике энергетический уровень Ферми W_fi можно определить из соотношения:

W_v и W_c – потолок валентной зоны и дно зоны проводимости соответственно.

Таким образом, уровень Ферми в беспримесном полупроводнике при любой температуре расположен посередине запрещенной зоны.

В собственном полупроводнике в установившемся равновес­ном состоянии процессы генерации выравниваются процессами рекомбинации, скорость которой пропорциональна концентрации электронов и дырок:

Примесные полупроводники

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергети­ческий уровень, занятый в невозбужденном состоянии электро­нами и отдающий в возбужденном состоянии электрон в зону проводимости, называют донором.

Примесный атом, создающий в запрещенной зоне энергети­ческий уровень свободный от электронов в невозбужденном со­стоянии и способный захватить электрон из валентной зоны при возбуждении, создавая дырки в валентной зоне, называют акцептором.

При внесении в предварительно очищенный кремний, гер­маний примеси пятивалентного элемента — донора (фосфор Р, сурьма Sb. мышьяк As) атомы примеси замещают основные ато­мы в узлах кристаллической решетки. При этом четыре из пяти валентных электронов атома при­меси образуют ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый электрон оказывается избыточным.

Энергия ионизации донорных атомов значительно меньше энергии ионизации собственных полупроводников. Поэтому при комнатной температуре избыточные электроны примеси возбуж­даются и переходят в зону проводимости. Атомы примесей, потерявшие избыточный электрон, превращаются в положительные ионы. Количество электронов N_д, переходящих под действием тепловой энергии в зону проводимости с донорного уровня W_д, значительно превышает количество электронов n_i, переходящих в зону проводимости из валентной зоны в процессе генерации пар электрон — дырка. Поэтому можно считать, что концентрация электронов проводимости полностью определяется концентрацией донорной примеси n_n ≈ N_д, а концентрация дырок составляет:

Концентрация дырок в донорном полупроводнике значи­тельно ниже, чем в собственном полупроводнике. В связи с этим дырки p_n являются неосновными носителями, а электроны n_n – основными. Поэтому донорный полупроводник называется элек­тронным полупроводником или полупроводником n-типа.

При добавлении в кристалл германия или кремния примеси трехвалентного элемента — акцептора (галлий Ga. индий In, бор В) атомы примеси замещают в узлах кристаллической решетки атомы полупроводника. Для образования четырех ковалентных связей не хватает одного валентного электрона атомов примеси.

Достаточно небольшой внешней энергии, чтобы электроны из верхних уровней валентной зоны переместились на уровень примеси, образовав недостающие ковалентные связи.

При этом в валентной зоне появляются избыточные уровни (дырки), которые участвуют в создании электрического тока. За счет ионизации атомов исходного материала часть электронов из валентной зоны попадают в зону проводимости. Число дырок в акцепторном полупроводнике превышает число электронов:

N_а – концентрация донорной примеси.

Поэтому дырки p_p являются основными носителями, а элек­троны n_p — неосновными. Полупроводники с акцепторной приме­сью носят название дырочных, или полупроводников p-типа.

Полупроводниковые приборы, виды, принцип работы

Полупроводники — что это? Какие бывают, как работают

За последние 70 лет полупроводники стали ключевым элементом в производстве электроники. С момента изобретения транзистора мир электроники всегда находился на экспоненциальной кривой с точки зрения исследований, разработок, производства, создания новых устройств и технологий.

Полезные статьи:

Что такое полупроводник?

Полупроводники — это материалы, которые не являются ни проводниками, ни изоляторами. Если немного подробнее остановиться на этом, материалы классифицируются на проводники, изоляторы и полупроводники в зависимости от их способности проводить электричество.

Проводники — это материалы с очень хорошей пропускной способностью по электричеству. Обычно металлы обладают хорошей электропроводностью, и вы можете найти медь или алюминий в электропроводке вашего дома.

Изоляторы — материалы с очень плохой электропроводностью. Стекло, дерево и бумага хорошие примеры изоляторов.

Теперь давайте поговорим о важной категории материалов для нашего обсуждения, то есть о полупроводниках. При комнатной температуре полупроводники представляют собой материалы с более низкой электропроводностью, чем проводники, но с более высокой электропроводностью, чем изоляторы.

Полупроводниковые материалы

Полупроводники представляют собой широкий класс материалов, в которых концентрация подвижных носителей заряда ниже концентрации атомов, но может меняться под действием температуры, освещения, небольшого количества примесей.

Если говорить об электропроводности в единицах Ом -1 см -1 , то полупроводниковые материалы — это материалы с удельной электропроводностью от 10 -9 Ом -1 см -1 до 10 2 Ом -1 см -1 .

Традиционно элементы группы IV, такие как кремний (Si) и германий (Ge), считаются элементарными полупроводниковыми материалами, то есть полупроводниками, состоящими только из одного атома.

Существуют и другие типы полупроводниковых материалов, которые могут быть образованы путем объединения элементов из группы III с элементами из группы V, и они известны как составные полупроводники. Арсенид галлия (GaAs) — самый известный полупроводниковый материал в этой категории и фактически второй после кремния как наиболее часто используемый полупроводниковый материал.

Что такое полупроводниковые приборы?

Проще говоря, полупроводниковые устройства представляют собой тип электронных компонентов, которые спроектированы, разработаны и изготовлены на основе таких полупроводниковых материалов, как кремний (Si), германий (Ge) и арсенид галлия (GaAs).

С момента их использования в конце 1940-х (или начале 1950-х) полупроводники стали основным материалом при производстве электроники и ее вариантов, таких как оптоэлектроника и термоэлектроника.

До использования полупроводниковых материалов в электронных устройствах вакуумные лампы использовались в конструкции электронных компонентов. Основное различие между электронными лампами и полупроводниковыми устройствами заключается в том, что в электронных лампах проводимость электронов происходит в газообразном состоянии, тогда как в случае полупроводниковых устройств это происходит в «твердом состоянии». Полупроводниковые устройства можно найти как в виде дискретных компонентов, так и в виде интегральных схем.

Почему полупроводники?

Основная причина использования полупроводниковых устройств (лежащих в основе полупроводниковых материалов) в производстве электронных устройств и компонентов — это возможность легко управлять проводимостью носителей заряда, то есть электронов и дырок.

Как упоминалось ранее, электропроводность полупроводниковых материалов находится между проводниками и изоляторами. Даже эта проводимость может контролироваться внешними или внутренними факторами, такими как электрическое поле, магнитное поле, свет, температура и механические искажения.

Пока что игнорируя внешние факторы, такие как температура и свет, процесс, называемый легированием, обычно выполняется с полупроводниковыми материалами, когда в его структуру вводятся примеси, чтобы изменить структурные, а также электрические свойства.

Чистый полупроводник известен как внутренний полупроводник, в то время как нечистый или легированный полупроводник известен как внешний полупроводник.

Когда количество свободных электронов в полупроводниковой структуре увеличивается после легирования, полупроводник известен как полупроводник n-типа. Точно так же, если количество отверстий увеличено, он известен как полупроводник p-типа .

Собственная проводимость полупроводников

Если напряженность электрического поля в образце равна нулю, то движение освободившихся электронов и «дырок» происходит беспорядочно и поэтому не создает электрический ток.

Под воздействием электрического поля электроны и дырки начинают упорядочное (встречное) движение, образуя электрический ток. Проводимость при этих условиях называют собственной проводимостью полупроводников. При этом движение электронов создает электронную проводимость, а движение дырок — дырочную проводимость.

Различные типы полупроводниковых приборов

Ниже приводится небольшой список некоторых из наиболее часто используемых полупроводниковых устройств. В зависимости от физической структуры устройства следующий список подразделяется на устройства с двумя терминалами и устройства с тремя терминалами.

Двухконтактные полупроводниковые приборы

• Диод
• Диод Шоттки
• Светоизлучающий диод (LED)
• DIAC
• Стабилитрон
• Фотодиод (фототранзистор)
• PIN-диод
• Лазерный диод
• Туннельный диод
• Фото ячейка
• Солнечная батарея
• Диод Ганна
• IMPATT диод
• TVS-диод (диод для подавления переходных напряжений)
• VCSEL (лазер с вертикальным резонатором, излучающий поверхность)

Трехконтактные полупроводниковые приборы

• Биполярный транзистор
• Полевой транзистор
• Биполярный транзистор с изолированным затвором (IGBT)
• Транзистор Дарлингтона
• Кремниевый управляемый выпрямитель (SCR)
• ТРИАК
• Тиристор
• Однопереходный транзистор

Есть также несколько полупроводников с четырьмя выводами, таких как оптопара (оптопара) и датчик Холла.

Применение полупроводниковых приборов

Как упоминалось ранее, полупроводниковые приборы являются основой почти всех электронных устройств. Некоторые из применений полупроводниковых устройств:

• Транзисторы — основные компоненты в различных интегральных схемах, таких как микропроцессоры.
• Фактически, они являются основными компонентами в конструкции логических вентилей и других цифровых схем.
• Транзисторы также используются в аналоговых схемах, таких как усилители и генераторы.