Полупроводниковыми называют приборы, изготовленные из полупроводниковых материалов. Все физические процессы переноса электрических зарядов в этих приборах происходят внутри твердого тела. По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства: -малый вес и малые размеры;
- отсутствие затрат энергии на накал;
- более высокая надежность в работе и больший срок службы (до десятков тысяч часов);
- большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок);
-различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны;
- маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях (5 В, 9 В).
Однако полупроводниковые приборы обладают и недостатками:
- параметры и характеристики приборов одного типа имеют значительный разброс;
- параметры приборов сильно зависят от температуры;
- наблюдается изменение свойств приборов с течением времени (старение):
- собственные шумы в ряде случаев больше, чем у электровакуумных приборов;
- входное сопротивление транзисторов значительно меньше, чем у ламп;
- транзисторы пока еще не изготовляются для таких больших мощностей, как лампы (сотни ватт и больше);
- работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения;
- воздействие статического электричества может вывести из строя полупроводниковые приборы.
Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками.
Для полупроводников характерна значительная зависимость электропроводности от температуры. При возрастании температуры сопротивление полупроводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников.
При повышении температуры электропроводность полупроводника возрастает, так как электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, и за счет этого все большее их количество, преодолевая запрещенную зону, переходит в зону проводимости. Таким образом, появляются электроны проводимости, т. е. электронная проводимость. Но каждый электрон оставляет в валентной зоне свободное место - дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводимости, или создается дырочная электропроводность.
Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником, а его проводимость собственной. Собственная проводимость полупроводников очень мала.
Для создания полупроводниковых приборов применяют не собственные, а примесные проводники, т. е. проводники, в кристаллическую решетку. которых внедрены атомы примеси.
При введении в собственный полупроводник пятивалентной примеси (например мышьяк, фосфор, сурьма) в нем образуется избыточная концентрация электронов. Такую проводимость называют электронной или n-типа, а примесь называют донорной.
Таким образом в полупроводнике создается избыточная концентрация электронов, называемых основными носителями заряда. Дырки, которых значительно меньше, называют неосновными носителями заряда.
При введении в собственный полупроводник трехвалентной примеси (например, бор, алюминий, индий) в нем образуется избыточная концентрация дырок. Такую концентрацию называют дырочной или р-типа, а примесь называют акцепторной.
Электрический переход между областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность р-типа, а другая - n-типа, называют электронно-дырочным или р-n-переходом.
Существует несколько технологий получения р-n-переходов (рисунок1), среди которых наиболее распространена планарная (рисунок 1, в), осуществляемая в такой последовательности:
1 окисление термическим способом (пленка Si02 около 1 мм). Si02 является хорошим диэлектриком;
2 методом фотолитографии удаляют определенные участки в слое Si02;
3 напыление акцепторной примеси, атомы которой, диффундируя в n-слой, образуют р-область.
Между n- и p областями образуется p-n- переход. По закону диффузии электроны из n-области будут перемещаться в р-область, а дырки наоборот. Встречаясь на границе p-n- областей, дырки и электроны рекомбинируют. Следовательно, образуется область, обедненная свободными носителями заряда, где остаются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов, между которыми возникает электрическое поле. При этом между р- и n-областями появляется разность потенциалов, представляющая собой потенциальный барьер для основных носителей заряда и ограничивающая их встречную диффузию.
Высота потенциального барьера равна разности потенциалов дырок и электронов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примеси, тем больше основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу, тем больше объемных зарядов и тем больше контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. При отсутствии внешнего напряжения р-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждое мгновение через р-n-переход в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.
Если к р-n-переходу подключить внешний источник напряжения, то нарушится условие равновесия. При этом изменится высота потенциального барьера и ширина р-n-перехода.
При прямом включении р-n-перехода внешний источник напряжения соединяют положительным полюсом с выводом от p-области, а отрицательным - с выводом от n-области.
При этом уменьшается потенциальный барьер и запирающий слой.
Uк.пр=Uк-Uпр (1)
где Uк.пр - потенциальный барьер при прямом включении, Uк - контактная разность потенциала,Uпр - прямое напряжение
В переход с двух сторон начинают поступать электроны и дырки, вследствие чего сопротивление запирающего слоя уменьшается, и через p-n-переход протекает прямой ток
При p-n-переходе в обратном направлении полярность внешнего источника изменяют на противоположную. При этом ширина запирающего слоя увеличивается, потенциальный барьер повышается диффузия основных носителей через переход невозможна. Однако неосновные носители под действием суммарного поля проходят через переход и создают обратный ток. Значение этого тока намного меньше прямого, так как неосновных носителей намного меньше, чем основных.
Обедненный носителями заряда запирающий слой p-n-перехода подобен заряженному конденсатору, обладающему определенной емкостью, которую называют барьерной. Величина этой емкости зависит от толщины p-n-перехода (d) и его площади. По мере увеличения обратного напряжения расстояние d возрастает, и барьерная емкость уменьшается.