Лекция №14. Полупроводниковые диоды
Цель: ознакомиться с устройством, принципом действия, характеристиками, классификацией и применением трансформаторов
Естественные полупроводники
Электроника – наука о взаимодействии заряженных частиц с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, работа которых основана на прохождении электрического тока в твердом теле, вакууме и газах. Соответственно, электронные приборы называются полупроводниковыми, электронно-вакуумными и газоразрядными. В настоящее время электронно-вакуумные и газоразрядные приборы применяются только в специальных случаях и рассматриваться здесь не будут.
Полупроводники – материалы, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Особенностью металлических проводников является наличие свободных электронов – носителей электрических зарядов. В диэлектриках свободных электронов нет и поэтому они не проводят тока.
Почти вся окружающая нас природа состоит из полупроводящих веществ. Окислы металлов, сульфиды, теллуриды и селениды многих металлов имеют полупроводниковые свойства. К типичным представителям полупроводников относятся германий, кремний и теллур.
Германий – один из наиболее широко применяемых полупроводниковых элементов. 32 электрона его атома распределены таким образом, что на внешней оболочке имеется 4 валентных электрона. В кристалле германия электроны соседних атомов вступают в химические, или ковалентные, связи (см. рис.), так что «свободных» электронов при Т = 0 К в чистом германии нет. Поэтому он должен быть хорошим изолятором. Германий весьма рассеян в природе и является дорогостоящим элементом.
Большое значение в современной полупроводниковой технике имеет кремний. 14 электронов его атома распределены так, что 4 из них, как и у германия, находятся на внешней оболочке. Они также вступают в химические связи с электронами соседних атомов.
Замечательным свойством полупроводников, которое используется в ряде чувствительных приборов, является сильное уменьшение их электрического сопротивления с повышением температуры. В этом отношении они ведут себя противоположно металлам.
Если в электрически нейтральном веществе один из электронов оставляет свое место и переходит в другое, например, к другому иону, то в оставленном им месте возникает избыток положительного заряда, или, как принято говорить, «положительная дырка» (см. рис.). Эта «дырка» ведет себя как положительный заряд, равный по величине заряду электрона. На освобожденное электроном место («дырку») может переместиться соседний электрон, а это равносильно тому, что переместилась «положительная дырка»: она появится в новом месте, откуда ушел электрон. В результате дырка начинает также странствовать по кристаллу, как и освободившийся электрон.
Во внешнем электрическом поле электроны движутся в сторону, противоположную направлению напряженности электрического поля, а положительные дырки – в направлении напряженности, т.е. в ту сторону, куда под действием поля перемещался бы положительный заряд. Электропроводность полупроводника, обусловленную перемещением дырок, принято называть дырочной проводимостью, а обусловленную перемещением электронов – электронной проводимостью.
Процесс перемещения дырок в направлении напряженности внешнего электрического поля, а электронов – в противоположном направлении происходит во всей массе полупроводника.
Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.
В кристалле чистого полупроводника при нарушении ковалентных связей возникает одинаковое число свободных электронов и дырок. Одновременно с этим происходит обратный процесс – рекомбинация, при которой свободные электроны заполняют дырки, образуя нормальные ковалентные связи. При определенной температуре число свободных электронов и дырок в единице объема полупроводника в среднем остается постоянным. При повышении температуры число свободных электронов и дырок сильно возрастает и проводимость германия значительно увеличивается. Электропроводность полупроводника при отсутствии в нем примесей называется его собственной электропроводностью, которая носит смешанный электронно-дырочный характер.
Все сказанное выше относится к химически чистым полупроводникам, технология изготовления которых, в частности кремния, представляет большие трудности.