Применение полупроводников

 

Полупроводники обладают разнообраз­ными и необычными свойствами, которые определяют их широкое применение. При контакте полупроводников p-типа и n-типа образуются p-n переходы – основа почти всех полупроводниковых приборов.

В полупроводнике p-типа проводимость в основном определяется движением дырок, т.е. дырки являются основными носителями тока. Соответственно в полупроводнике n-типа основными носителями будут электроны. Если взять два полупроводника n-типа и p-типа и соединить их, то на границе будут встречатся носители разных типов – элекроны и дырки. При этом они взаимно уничтожаются, или говорят происходит процесс рекомбинации. В результате в пограничном слое свободных носителей заряда практически не остается, значит получается изолирующий материал или диэлектрик, называемый запирающим слоем. Образовавшаяся структура называется p-n переходом.

Этот p-n переход обладает интересным свойством, односторонней проводимостью.

При подключении внешнего источника напряжения положительным полюсом к n-области, отрицательным — к p-области (см. рис.27а.) , дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. В результате изолирующий слой расширяется, препятствуя протеканию тока. Тока в цепи нет. Такое подключение называют обратным включением p-n перехода.

Если же положительный полюс источника напряжения подключен к p-области, а отрицательный – с n-областью (см. рис.27б.), то дырки под действием внешнего электрического поля смещаются влево, а электроны – вправо. Ширина изолирующего слоя уменьшается, тем самым способствуя резкому возрастанию электрического тока через p-n переход. Такое подключение называют прямым включением p-n перехода.

Прибор, обладающий односторонней проводимостью, называется диодом, он широко применяется в различных электрических схемах.

· Полупроводниковый диод

Рассмотрим полупроводникового диод на основе p-n перехода. Если к диоду приложить напряжение, то в нем будет течь ток, который зависит от величины и полярности напряжения. Эта зависимость тока от напряжения называется вольт–амперной характери­стикой (ВАХ) (рис.28).

Ток I, протекающий в цепи диода, определятся формулой

, (2.13)

где U – приложенное напряжение, q – заряд носителей, Т – абсолютная температура.

При положительном напряжении ток резко экспоненциально возрастает. При отрицательном – слагаемое будет стремиться к нулю, поэтому график будет стремиться к значению тока, равному – I_o. Это так называемый обратный ток p-n-перехода.

 

· Стабилитрон

Стабилитрон устроен практически так же, как и диод. То есть имеется p-n-переход, но напряжение в нем включается в обратной полярности. В этом случае переход запирается, то есть образуется изолирующий слой, вследствие чего обратный ток будет малым. Как и для любого другого изолятора, величина приложенного к изолирующему слою напряжения будет иметь некий предел, при превышении которого начнется электрический пробой. При этом обратный ток резко возрастает, что соответствует почти вертикальному участку обратной ветви ВАХ стабилитрона (рис.29.). Если протекающий ток не очень большой и не приводит к значительному нагреву, то этот процесс пробоя оказывается обратимым и разрушения кристаллической решетки не происходит. Такой режим работы оказывается вполне устойчивым. На этом участке ВАХ, при изменении тока в больших пределах, напряжение практически постоянно. Поэтому такие приборы используются для стабилизации напряжения и называют стабилитронами.

 

· Варикап

Приложим к p-n переходу обратное напряжение. В результате образуется изолирующий слой. некоторой толщины этого слоя будет равна d. Причем толщина его зависит от приложенного напряжения: чем больше величина напряжения, тем больше толщина изолирующего слоя в соответствии с соотношением

~. (2.14)

Рассмотрим схему такой структуры (рис.30а.). Здесь между двумя проводящими ток материалами находится изолятор. Данная система представляет собой конденсатор, емкость которого определяется по формуле

(2.15)

где S – площадь обкладок конденсатора, d- расстояние между обкладками, e –диэлектрическая проницаемость среды.

Поскольку d является функцией от напряжения (*), следовательно, и емкость С будет зависеть от приложенного напряжения:

~, (2.16)

Такой прибор, величиной емкости которого можно управлять с помощью напряжения, называется варикап (от английского «vary capacity» – «переменная ёмкость»). На рис.30б. приведен график зависимости емкости от напряжения на варикапе. Его используют в системах автоматической подстройки частоты радиоприемников, телевизоров, регулируемых фильтров и др.

 

· Светодиод

Светодиод - устройство, основанное на p-n переходе, включенном в прямом направлении (рис.31.). В этом случае под действием электрического поля внешнего источника потоки электронов и дырок движутся навстречу друг другу. В зоне p-n перехода они встречаются и происходит рекомбинация электронов и дырок, т.е. взаимное уничтожение. Но исчезают они не бесследно, а выплескивая свою энергию виде квантов света – фотонов. Таким образом светодиод излучает свет. У светодиодов КПД преобразования электрической энергии в световую очень высок, и составляет 20-70%. Если сравнивать с лампой накаливания, то у нее лишь 4% энергии переходит в световую. Остальная часть энергии идет на нагревание нити лампы до 2500 ˚С.

Светодиоды используют в качестве экономичных источников света, индикаторов, цветных сигнализаторов. Современные информационные табло, мониторы, экраны состоят из большого количества светодиодов формирующих изображение. Для изготовления светодиодов используются специальные полупроводники GaAs, InAs, GaP, SiC.

 

· Фотодиод

Фотодиод представляет собой p-n-переход включенный в обратном направлении (рис.34.). В этом случае при отсутствии светового потока фотодиод ток не пропускает.

Если на изолирующий слой направить свет, то в этом p-n переходе при поглощении фотонов будут рождаться пары электрон-дырка. Этот процесс обратный тому, что происходит в светодиодах. Образовавшиеся электроны и дырки под действием электрического поля разбегаются в противоположные стороны из изолирующего слоя, образуется электрический ток.

Фотодиоды являются светочувствительными приборами, так же как и фоторезисторы. Однако они выгодно отличаются большей чувствительностью, очень малыми размерами и весом. Фотодиоды являются быстродействующими при­борами, что позволяет их использовать в качестве приемников и детекторов модулированного светового сигнала.

С помощью большого количества фотодиодов создаются фотодиодные матрицы, которые могут считывать изображения, преобразуя его в электрический сигнал. На такой технологии основана работа видеокамер.

 

· Терморезистор

Терморезистор - это полупроводниковый материал, к которому присоединено два контакта (рис.32.). В полупроводниках концентрация свободных электронов определяется экспоненциальной формулой (2.3):

n = n₀×exp(–E_g/kT)

Чем выше температура, тем больше концентрация свободных носителей , а значит тем выше проводимость материала (2.1):

σ= nqμ

Поэтому эти приборы очень чувствительны к изменению температуры. Терморезисторы используют как высокочувствительные датчики для измерителей температуры и систем терморегулирования.

 

· Фоторезистор

Кроме температуры изменять концентрацию носителей заряда может так же свет (рис.33.).

При облучении светом энергия фотонов передается электронам и они могут переходить в зону проводимости. Чем больше световой поток, тем больше образуется свободных электронов, тем выше проводимость полупроводника. Т.е. фоторезистор является светочувствительным прибором.

Эти приборы применяются в устройствах автоматического включения фонарей, которые работают в зависимости от освещенности улицы, в турникетах метро, системах охраны, слежения за перемещением и т.д.

 

· Контрольные вопросы

1. Какие материалы называют полупроводниками?

2. Каково строение энергетических зон полупроводников?

3. Для чего легируют полупроводники?

4. Где их применяют?

5. Приведите примеры электронных устройств на основе полупроводников.