Полупроводниковые приборы

Основной элемент современных полупроводниковых приборов — это p-n переход. Рассмотрим кратко некоторые типы полупроводниковых приборов на p-n переходе.

1. Выпрямительный диод. Несимметричность вольтамперной характеристики p-n перехода позволяет использовать его для выпрямление переменного тока. Кремниевые диоды работоспособны до температуры ~200 ºС, позволяют выпрямлять напряжения до 600 В при силе тока до 10³ A и используются в силовой электротехнике, полностью вытеснив менее надежные выпрямители других типов. В радиотехнике используются «точечные» диоды с малой собственной емкостью, которые дают возможность выпрямлять высокочастотные напряжения (n ~ 10⁵…10⁶ Гц).

Рис. 33.13 Рис. 33.14

2. Стабилитроны. В этих приборах, предназначенных для стабилизации напряжения питания радиоцепей, используется независимость силы дрейфового тока от значения приложенного напряжения, что позволяет получать постоянные (стабилизированные) напряжения до 10...20 В.

3. Туннельный диод. В туннельном диоде в полупроводники p- и n-типов вводится значительная концентрация примесных атомов, так что их дискретные энергетические уровни расщепляются, образуя зоны, которые перекрываются с валентной зоной и зоной проводимости (рис. 33.13). При этом область p-n перехода становится очень тонкой (~ 1...5 нм), что позволяет электронам переходить через нее по механизму туннельного эффекта. Вольтамперная характеристика туннельного диода показана на рис. 33.14. Видно, что в области положительных напряжений одному значению силы тока соответствуют три значения напряжения (U₁, U₂, U₃), причем значения U₁ и U₃ соответствуют устойчивому состоянию, а U₂ — неустойчивому. Время перехода туннельного диода из одного устойчивого состояния в другое составляет ~ 10^‑9 с, что позволяет применять его в быстродействующих вычислительных машинах.

4. Использование p-n перехода для измерения температуры и проведения аналогового логарифмирования сигналов. Согласно формуле (33.6) сила тока, протекающего через диод в пропускном направлении, зависит от температуры, что дает возможность использовать его для измерения температуры подобно термисторам. Экспоненциальная зависимость между силой тока и напряжением обусловливает также осуществление логарифмирования электрических сигналов, что используется, например, при расширении пределов измерения приборов.

5. Фотоэлемент на p-n переходе. При попадании кванта света на p-n переход электрон из валентной зоны может быть переведен в зону проводимости, при этом в валентной зоне образуется дырка. Образовавшаяся электронно-дырочная пара растягивается полем контактной разности потенциалов и дырка попадает в полупроводник p-типа, а электрон — в полупроводник n-типа (рис. 33.15). Далее электроны и дырки, двигаясь по внешней цепи, создают электрический ток.

Рис. 33.15

Фотоэлемент такого типа преобразует световую энергию в электрическую и в настоящее время используется в космической технике. В настоящее время самыми удачными оказались кремневые фотоэлементы, КПД которых достигает 10-12 %. Вполне реальное значение КПД фотоэлементов на p-n переходе составляет 15-20 %.

6. Фотодиод. Полупроводниковый фотоэлемент с p-n переходом, обратный ток которого изменяется под действием светового излучения, называют фотодиодом. Фотодиод включаю в цепь с нагрузочным сопротивлением и батареей, обеспечивающей запирающее направление. При попадании света на p-n переход в цепи возникает электрический ток. Зависимость силы фототока от светового потока линейна. Инерционность фотодиода ~10^-5 с. Основное преимущество фотодиода (по сравнению, например, с фотоэлементами на внешнем фотоэффекте) — малые габаритные размеры и высокая прочность.

7. Светодиод.У некоторых полупроводников при пропускании через p-n переход тока в пропускном направлении при рекомбинации электронно-дырочной пары энергия может выделяться в виде фотонов. Светодиоды в настоящее время широко используются как сигнальные источники света и в устройствах для индикации информации. При определенных условиях светодиод может генерировать когерентное электромагнитное излучение, т.е. такой прибор служит полупроводниковым лазером (см. п. 34.3).

8. Транзистор. Чрезвычайно широкое распространение получили полупроводниковые устройства с двумя p-n переходами — кристаллические триоды или транзисторы.

Рис. 33.16

Рассмотрим схему транзистора (рис. 33.16). Транзистор состоит из области с проводимостью n-типа — эмиттера (Э), узкой полоски полупроводника p-типа — базы (Б) и снова области с электронной проводимостью — коллектора (К). К транзистору подключены две батареи: в цепь эмиттер — база в пропускном направлении включена батарея с малой ЭДС (e₁ ~ 0,1 В), а в цепь база — коллектор подключена в запирающем направлении батарея с ЭДС (e₂ ~ 5…10 В).

На рис. 33.17 показан ход потенциальной энергии электронов в случае, когда источники e₁ и e₂ отключены (верхняя кривая). При подключении источников потенциальный барьер на границе эмиттер — база понижается, а на границе база — коллектор увеличивается (нижняя кривая). В результате электроны легко переходят p-n переход эмиттер-база в область базы, становясь там неосновными носителями тока. Поскольку геометрическая ширина базы мала, значительная часть электронов диффундирует сквозь базу и проходит через второй p-n переход в коллектор. Самое главное заключается в том, что при прохождении электронами p-n перехода база-коллектор они ускоряются за счет значительной разности потенциалов, созданной на этом переходе батареей e₂. Сила тока в цепи коллектора Iк близка к силе тока в цепи эмиттера Iэ, но поскольку сопротивление первого p-n перехода значительно меньше, чем второго (Rэб<<Rбк), то и напряжение на втором p-n переходе будет большим. Таким образом транзистор при такой схеме включения (схема с общей базой) усиливает сигнал по напряжению и, соответственно, по мощности. Коэффициент усиления современных транзисторов K~10⁴. Они очень экономичны (в смысле малого потребления энергии), характеризуются малыми габаритными размерами, что позволило им почти полностью вытеснить электронные лампы.

Фотопроводимость

При поглощении полупроводником фотона, энергия которого больше ширины запретной зоны (hn>DW), возможен переход электрона из валентной зоны в зону проводимости и одновременное образование дырки в валентной зоне. Образование дополнительных носителей заряда приводит к увеличению проводимости полупроводника. Наряду с образованием фотоэлектронов и фотодырок происходит конкурирующий процесс их рекомбинации. В результате при постоянной освещенности полупроводника образуется сравнительно небольшая стационарная концентрация свободных носителей тока. Для увеличения эффекта в полупроводник вводят примесные атомы (ловушки), которые, например, могут захватывать дырки из валентной зоны. Тогда число электронов в зоне проводимости может значительно возрасти, поскольку их рекомбинация с дырками затруднена. В этом случае чувствительность полупроводника к освещению резко возрастает и изменение сопротивления может составлять 10⁶.

Полупроводниковые фотосопротивления широко используются для регистрации световых сигналов. Их преимущества — высокая фоточувствительность и малые габаритные размеры, а недостатки — нелинейность люкс-амперной характеристики и инерционность.

Лекція 47.

Макроскопiчнi квантовi ефекти.

Явище надпровiдностi. Ефект Джозефсона. Надтекучiсть.

Поиск по сайту: