Физика Электроника

Лабораторные работы по электронике

Полупроводники

Полупроводниками принято считать широкий класс веществ, чья электропроводность меньше чем у металлов (106 - 104 Ом-1) , но больше чем у хороших диэлектриков (10-10 – 10-12 Ом-1). Различие между полупроводниками и диэлектриками является скорее количественным, чем качественным, диэлектрики тоже могут достигать при высоких температурах величин электропроводности, характерных для полупроводников.

В реальной практике термин «полупроводники» обычно применяют к веществам, у которых полупроводниковые свойства четко выражены уже при комнатных температурах (300К). Примеры таких веществ:

1. Элементы IV группы таблицы Менделеева кремний и германий ­­­- к настоящему времени наиболее полно изученные и широко применяющиеся в электронике. Атомы этих элементов имеют по 4 валентных электрона и образуют решетки типа алмаза с ковалентной связью атомов. Сам алмаз тоже обладает полупроводниковыми свойствами, однако при комнатной температуре его электропроводность очень мала.

2. Алмазоподобные полупроводники. К ним относятся соединения элементов III группы периодической системы с элементами V группы: GaAs, InSb, GaP, InP. Такие полупроводники называются полупроводниками типа AIII BV.

Атомы III группы имеют 3 валентных электрона, а V группы - 5, так что среднее число валентных электронов, приходящееся на 1 атом, в этих соединениях равно 4 (как и у Ge и Si). Каждый атом образует 4 валентные связи с ближайшими соседями, в результате чего получается кристаллическая решётка, подобная решётке алмаза с той лишь разницей, что ближайшие соседи атома AIII - атомы BV а соседи атома BV - атомы AIII. За счёт частичного перераспределения электронов атомы AIII и BV в такой структуре оказываются разноимённо заряженными. Поэтому связи в кристаллах AIII BV не полностью ковалентные, а частично ионные. Однако ковалентная связь в них преобладает и определяет структуру, в результате чего эти кристаллы по многим свойствам являются ближайшими аналогами Ge и Si.

Соединения элементов II и VI групп периодической системы - AIIBVI (ZnTe, ZnSe, CdTe, CdS и т.п.) также имеют в среднем 4 валентных электрона на 1 атом, но ионная связь у них более сильно выражена. У некоторых из них ковалентная связь преобладает над ионной, у других она слабее, но и те и другие обладают полупроводниковыми свойствами, хотя и не столь ярко выраженными, как в предыдущих группах.

3. Элементы VI и V групп и их аналоги. Элементы VI группы Te и Se как полупроводники были известны раньше, чем Ge и Si, причём Se широко использовался в выпрямителях электрического тока и фотоэлементах. Элементы V группы As, Sb и Bi - полуметаллы, по свойствам близкие к полупроводникам, а их ближайшие аналоги - соединения типа AIV и BVI (PbS, PbTe, SnTe, GeTe и т.п.), имеющие в среднем по 5 валентных электронов на атом, образуют одну из наиболее важных групп полупроводников, известную в первую очередь применением в качестве приёмников инфоракрасного излучения. Вообще среди соединений элементов VI группы (О, S, Se, Te) с элементами I-V групп очень много полупроводников. Большинство из них мало изучены.

4. Соединения элементов VI группы с переходными или редкоземельными металлами (Ti, V, Mn, Fe, Ni, Sm, Eu и т.п.). В этих полупроводниках преобладает ионная связь. Большинство из них обладает той или иной формой магнитного упорядочения (ферромагнетики или антиферромагнетики). Сочетание полупроводниковых и магнитных свойств и их взаимное влияние интересно как с теоретической точки зрения, так и для многих практических применений.

5. Органические полупроводники. Многие органические соединения также обладают полупроводниковыми свойствами. Их электропроводность, как правило, мала (10-10 Ом-1) и сильно возрастает под действием света. Однако некоторые органические полупроводники (кристаллы и полимеры на основе соединений тетрацианхинодиметана TCNQ, комплексы на основе фталоцианина, перилена, виолантрена и др.) имеют при комнатной температуре электропроводность, сравнимую с проводимостью хороших неорганических П.

Электроны и дырки в полупроводниках

Так как в твёрдом теле атомы или ионы сближены на расстояние, сравнимое с размерами самого атома, то в нём происходят переходы валентных электронов от одного атома к другому. Такой электронный обмен может привести к образованию ковалентной связи. Это происходит в случае, когда электронные оболочки соседних атомов сильно перекрываются и переходы электронов между атомами происходят достаточно часто.

 Эта картина полностью применима к такому типичному полупроводнику, как германий (Ge). Все атомы германия нейтральны и связаны друг с другом ковалентной связью. Однако электронный обмен между атомами не приводит непосредственно к электропроводности, поскольку в целом распределение электронной плотности жестко фиксировано: по 2 электрона на связь между каждой парой атомов - ближайших соседей. Чтобы создать проводимость в таком кристалле, необходимо разорвать хотя бы одну из связей (нагрев, поглощение фотона и т.д.), то есть, удалив с неё электрон, перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем свободно может переходить из ячейки в ячейку, так как все они для него эквивалентны, и, являясь всюду лишним, он переносит с собой избыточный отрицательный заряд, то есть становится электроном проводимости.

Разорванная же связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку в условиях сильного обмена электрон одной из соседних связей быстро занимает место ушедшего, оставляя разорванной ту связь, откуда он ушёл. Недостаток электрона на одной из связей означает наличие у атома (или пары атомов) единичного положительного заряда, который, таким образом, переносится вместе с дыркой.

В случае ионной связи перекрытие электронных оболочек меньше, электронные переходы менее часты. При разрыве связи также образуются электрон проводимости и дырка - лишний электрон в одной из ячеек кристалла и некомпенсированный положительный заряд в другой ячейке. Оба они могут перемещаться по кристаллу, переходя из одной ячейки в другую.

Наличие двух разноимённо заряженных типов носителей тока - электронов и дырок является общим свойством полупроводников и диэлектриков. В идеальных кристаллах эти носители появляются всегда парами - возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носителей равны. Это не означает, что вклад их в электропроводность одинаков, так как скорость перехода из ячейки в ячейку (подвижность) у электронов и дырок может быть различной. В реальных кристаллах, содержащих примеси и дефекты структуры, равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться, так что электропроводность в таком случае будет осуществляется практически только одним типом носителей.

Емкость Cбар, которой обладает p-n-переход при обратном напряжении U, называют барьерной. Ее наличие определяется шириной обедненной области, образованной неподвижными зарядами примесных ионов. С увеличением обратного напряжения барьерная емкость уменьшается (т. к. растет ширина обедненной области).

Для оценки величины емкости Cбар можно пользоваться приближенной формулой

 

(4.4)

где Cбар(U0) – значение барьерной емкости при U=0; j0– величина контактной разности потенциалов; n – показатель степени, равный 2 для резких p-n-переходов и 3 – для плавных.

Помимо барьерной емкости диод обладает также и диффузионной емкостью. Диффузионная емкость Cдиф перехода зависит от диффузионного тока и проявляется главным образом при прямом смещении p-n-перехода. Для достаточно больших прямых напряжений (U >0,4¸0,5 В для кремния) Cдиф>Cбар.

Общая емкость Cобщ p-n-перехода представляет собой сумму двух емкостей Cдиф и Cбар, т. е. Cобщ=Cдиф+Cбар.

Использование полупроводникового выпрямительного диода в различных схемах связано с заданием его режима по постоянному току. Часто последовательно с диодом VD включатся резистор Rн, называемый нагрузочным (рис. 4.1 б). Рассмотрим графоаналитический метод определения положения рабочей точки диода на ее ВАХ (рис. 4.1 а). Для этого найдем величину постоянного тока Iп, протекающего через диод, и напряжения Uп, падающего на диоде, если к последовательной цепочке состоящей из Rн и VD приложено напряжение E. В этом случае необходимо графически решить систему уравнений, состоящую из линейного уравнения, представляющего собой так называемую линию нагрузки, и уравнения, описывающего ВАХ диода.

Для напряжений UVD и , падающих соответственно на диоде и на сопротивлении, справедливо уравнение

 

(4.5)

являющиеся уравнением линии нагрузки.

Уравнение (4.5) есть уравнение прямой в координатах I, U. Точки пересечения этой прямой с осями координат легко находятся: если U=0, то I=E/Rн, и если I=0, то UVD=E. Таким образом, для построения линии нагрузки имеем две точки A и B с координатами В(Е, 0) и
А(0, Е/Rн). Проведя эту линию на графике и определив координаты точки ее пересечения с ВАХ диода, получим искомые значения напряжения Uп и тока Iп. Очевидно, что изменение величины сопротивления Rн будет изменять угол наклона нагрузочной прямой и соответственно режим работы диода. На рис. 4.1 а точкой П обозначено начальное положение рабочей точки и П1 — положение ее при замене резистора Rн на резистор большего номинала Rн1.

Помимо рассмотренного выше выпрямительного диода существуют и другие типы диодов, в основе которых лежат те или иные свойства полупроводникового p-n-перехода. Рассмотрим некоторые типы диодов.


Обольстительные красотки с портала http://prostitutkicheboksary24.info/types-services/fotosyomka/ готовы пошалить перед фотокамерой.
Полупроводниковые выпрямители