Тема 10
Основы электроники
Электронно-дырочный переход
Химическим элементом называется соединение атомов с одинаковым зарядом ядра. В природе из всех химических элементов только благородные газы (гелий,
неон и другие) находятся в одноатомном состоянии. Все остальные элементы
стремятся соединиться друг с другом в определённом порядке, образуя молекулы. Соединение в определённом порядке атомов и молекул называется веществом. Твёрдое вещество имеет структуру и состоит из атомов, которые имеют в своём
составе ядра и электроны, находящиеся на определённых энергетических уровнях (заполненная зона, запрещённая зона, валентная зона, зона проводимости).
В веществе, которое называют полупроводником, валентная зона и зона
проводимости разделены запрещённой зоной, в проводнике такое разделение
отсутствует, а в диэлектрике имеется, но ширина запрещённой зоны намного больше, чем у полупроводника. Различают собственные полупроводники и примесные полупроводники. Собственными полупроводниками являются химические элементы IV группы периодической таблицы Менделеева: кремний (Si), германий (Ge), имеющие 4 валентных электрона, которые могут вступить в химическую связь с электронами других атомов. При незначительной температуре один или несколько из этих валентных электронов могут переходить в зону проводимости в отличие от диэлектрика.
Свойство атомов одного химического элемента присоединять определённое число атомов других химических элементов называется валентностью. Соединение атомов химических элементов в молекулу называется химической связью. Она
может возникнуть, например, при образовании электронных пар: двух электронов, которые принадлежат одновременно двум атомам (то есть вращаются вокруг ядер двух атомов); такая химическая связь называется ковалентной связью. Если ковалентная связь образуется в результате перехода электронной пары от одного химического элемента – донора (поставщика электронов) к другому химическому элементу – акцептору (пользователю электронов), то такая химическая связь называется донорно-акцепторной связью.
Примесной полупроводник получается следующим образом. Если в химический элемент IV группы внести примесь (химический элемент V группы), то при комнатной температуре атомы примеси отдают 5-й электрон, не участвующий в создании химической связи. В результате атомы примеси, расположенные в узлах кристаллической решётки, становятся положительными ионами, а в полученном веществе появляются свободные электроны. Такие вещества, в которых носителями зарядов являются электроны, называют полупроводниками n-типа (n – «negative» – отрицательный), а примеси, благодаря которым возникают свободные электроны,
называют донорными.
Если в химический элемент IV группы внести в качестве примеси химический элемент III группы, то при комнатной температуре атомы примеси захватывают электроны у некоторых атомов химического элемента IV группы для образования химической связи. В результате эти атомы, расположенные в узлах кристаллической решётки, становятся положительными ионами, вокруг которых находятся нейтральные атомы. Нейтральные атомы, находящиеся возле иона, отдают свои электроны положительному иону, делая его нейтральным; при этом они сами становятся
положительными ионами. Следовательно, место положительного иона всё время меняется, как будто перемещается положительный заряд, равный по модулю заряду электрона. Отсутствие электрона в атоме полупроводника называют дыркой,
которая обладает положительным зарядом, равным по модулю заряду электрона. Такие вещества, в которых носителями зарядов являются дырки, называют
полупроводниками р-типа (р – «positive» – положительный), а примеси, благодаря которым возникают дырки, называют акцепторными.
Если соединить полупроводник р-типа с полупроводником n-типа, то образуется полупроводник р-n-типа (имеющий р-слой и n-слой) в месте их соединения создастся электронно-дырочный переход (р-n-переход), в котором электроны n-слоя заполняют дырки р-слоя. Поэтому в месте соединения образуется слой вещества, не имеющий свободных зарядов (то есть обладающий большим сопротивлением), который называют запирающим слоем. Толщина
запирающего слоя составляет несколько микрометров, его расширению препятствует электрическое поле неподвижных ионов примесей. Следовательно, в нейтральном состоянии, когда потенциалы на концах полупроводника равны нулю, упорядоченное и направленное движение зарядов в нём отсутствует, то есть сила тока равна нулю (рис.10.1).
Если от источника электродвижущей силы к р-слою полученного полупроводника приложить положительный потенциал (+ j), а к n-слою – отрицательный потенциал
(– j), то электроны под действием приложенного напряжения из n-слоя начнут проникать в р-слой, заполняя дырки. Недостаток электронов в n-слое и дырок в р-слое компенсируется за счёт источника электродвижущей силы: электроны от источника поступают в n-слой, а из р-слоя электроны
поступают в источник, образуя в этом слое дырки. Это
упорядоченное и направленное движение свободных
зарядов в полупроводнике (прямой электрический ток)
происходит до тех пор, пока к нему приложено прямое
напряжение от источника электродвижущей силы: «+» – к
р-слою, а «–» – к n-слою (рис.10.2).
Если от источника электродвижущей силы к р-слою полученного полупроводника приложить отрицательный потенциал (– j), а к n-слою – положительный потенциал (+ j), то электроны под действием приложенного напряжения из n-слоя начнут поступать в источник, из которого
будут проникать в р-слой, заполняя дырки (то есть произойдёт расширение запирающего слоя). Этот процесс прекратится, когда толщина запирающего слоя станет пропорциональной приложенному напряжению источника. В полупроводнике будет происходить незначительное упорядоченное и направленное движение зарядов (обратный электрический ток) до тех пор, пока к нему приложено обратное напряжение от источника электродвижущей силы: «–» – к р-слою,
а «+» – к n-слою (рис.10.3).
Следовательно, вещества, электропроводность которых находится между
проводниками и диэлектриками, называют полупроводниками, характерными
свойствами которых являются:
– полупроводник при прямом напряжении проводит электрический ток в
одном направлении (является проводником), а при обратном напряжении практически не проводит электрический ток (является диэлектриком);
– при увеличении температуры удельное сопротивление полупроводников снижается (проводников, наоборот, возрастает).
Вопросы для самоконтроля
1. Какие вещества называют полупроводниками?
2. Какими свойствами обладают полупроводники?
3. Как образуются полупроводники?
4. Что является носителями зарядов в полупроводниках n-типа?
5. Как образуются полупроводники n-типа?
6. Что является носителями зарядов в полупроводниках р-типа?
7. Как образуются полупроводники р-типа?
8. Как образуются полупроводники р-n-типа?
9. Что понимается под р-n-переходом?
10. Что понимается под запирающим слоем?
11. Что понимается под прямым током и прямым напряжением полупроводника?
12. Опишите работу полупроводника р-n-типа при прямом напряжении.
13. Что понимается под обратным током и обратным напряжением полупроводника?
14. Опишите работу полупроводника р-n-типа при обратном напряжении.
Полупроводниковый диод
Полупроводниковый диод представляет собой электронное устройство с
одним электронно-дырочным переходом (р-n-переходом) и двумя выводами.
В зависимости от конструктивного исполнения р-n-перехода различают
точечные диоды, имеющие незначительную мощность, и плоскостные диоды, имеющие значительную мощность. На принципиальных электрических схемах
буквенно-графическое обозначение полупроводникового диода следующее:
 |
Зависимость силы тока в диоде от приложенного к нему напряжения,
вольт-амперная характеристика (ВАХ), показана на рис.10.4. Она же является
обобщённой ВАХ р-n-перехода. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода имеет три характерных участка:
1 – работа при прямом напряжении
(протекает прямой ток: р-n-переход открыт,
и сила тока ограничена только сопротивлением материала полупроводника);
2 – работа при обратном напряжении (протекает обратный ток: р-n-переход закрыт, и ток незначительной силы проходит за счёт незначительного количества не основных носителей свободных зарядов в материале полупроводника (электронов в р-слое и дырок в n-слое);
3 – работа при напряжении пробоя
(обратный ток резко увеличивается: происходит резкое, («лавинообразное») увеличение
не основных носителей свободных зарядов в
материале полупроводника (электронов в р-слое и дырок в n-слое) при увеличении обратного
напряжения).
Для оценки и выбора полупроводниковых диодов указывают следующие
технические параметры:
– прямой ток: максимально допустимый (средний за период) ток,
сила которого определяется нагревом диода;
– прямое напряжение: прямое импульсное максимальное напряжение
для допустимого импульса прямого тока;
– мощность, рассеиваемая диодом: максимальная мощность,
которую способен рассеивать диод;
– обратное напряжение: обратное импульсное максимальное напряжение,
равное 70 % от напряжения пробоя;
– обратный ток: сила тока, протекающего при обратном напряжении.
Полупроводниковые диоды выпускают кремниевые (на основе кремния)
и германиевые (на основе германия): кремниевые диоды способны работать при температуре от 120°С до 150°С при прямом напряжении около 1 В, германиевые диоды способны работать при температуре от 55°С до 85°С при прямом напряжении около 0,3 В. Для получения большего обратного напряжения диоды соединяют последовательно, а для получения большего прямого тока диоды соединяют параллельно.
Если номинальный режим работы диода находится на обратной части его вольт-амперной характеристики (рис.10.4, участок 2), то диод называют стабилитроном.
На принципиальных электрических схемах буквенно-графическое обозначение стабилитрона следующее:
 |
Стабилитрон предназначен для
стабилизации напряжения, то есть поддержания напряжения на одном уровне.
Стабилитрон включают параллельно
нагрузке (рис.10.5). При увеличении входного напряжения возрастает ток в цепи
R1 – VD, а напряжение на нагрузке Uнагр (равное напряжению стабилизации) практически не меняется за счёт падения
избыточного напряжения на резисторе R1.
Вопросы для самоконтроля
1. Какое электронное устройство называется полупроводниковым диодом?
2. Как полупроводниковый диод обозначается
на принципиальной электрической схеме?
3. Опишите работу полупроводникового диода,
используя его вольт-амперную характеристику.
4. Перечислите технические параметры полупроводникового диода.
5. Как выбрать полупроводниковый диод?
6. Какое электронное устройство называется стабилитроном?
7. Как стабилитрон обозначается на принципиальной электрической схеме?
8. Приведите принципиальную электрическую схему
стабилизации напряжения с расшифровкой буквенных обозначений.
9. Опишите работу приведенной схемы стабилизации напряжения.