Полупроводниковых материалов.

Каждый полупроводниковый материал, как это выяснено выше, обладает электронной и дырочной электропроводностями. Под действием приложенного электрического напряжения сво­бодные электроны движутся от отрицательного полюса к положительному, а дырки возникают в направлении, противополож­ном движению электронов. Движение электронов и дырок в усло­виях действия на них электрического напряжения может быть охарактеризовано скоростями их при данной напряженности электрического поля Е в полупроводнике. Если значение скоро­сти движения электрона v_э, или дырки v_д отнести к величине Е, то полученные величины будут характеризовать свойство элект­ронов или дырок двигаться в данном полупроводнике. Эти вели­чины получили название подвижностей носителей тока. Они обозначаются греческой буквой χ (каппа) с индексами «э» или «д», указывающими к какому носителю заряда они относятся. Так, подвижность электрона будет выражаться χ_э=ν_э/Е, а подвижность дырок χ_{д =}ν_д/Е.

Подвижность χ носителей зарядов указывает, какой путь проходит за одну секунду внутри полупроводника электрон или дырка при напряженности электрического поля, равной единице (Е=1 в/см). Величина подвижности электрона и дырки выражается в см2/сек*в.

Если обозначить количество электронов в одном кубическом сантиметре полупроводника буквой n_э , а дырок буквой - р_Д , то проводимость γ полупроводника

γ=е(n_э χ_э+ р_Д χ_д),

где е-заряд электрона, а следовательно и дырки, равный 1,6*10-19 к (кулон).

В случае собственной электропроводности полупроводника это выражение становится проще, так как в этом случае число свободных электронов равно числу дырок, т.е. n_э=n_Д.

При движении под действием электрического поля электроны и дырки встречают различного рода препятствия, поэтому теряют часть энергии и рассеиваются, т.е. отклоняются от направления своего пути. Такие явления получили название рассеяния носителей тока. Рассеяния создаются, в частности примесями. Чем чище полупроводниковый материал, тем выше подвижность электронов и дырок. Повышение температуры обуславливает уменьшение подвижности, так как при этом усиливается тепловое движение атомов самого полупроводника и столкновения электронов с атомами учащаются. Однако с повышением температуры проводимость полупроводника все же увеличивается, так как увеличивается число носителей зарядов, т.е. повышается концентрация электронов и дырок. В чистых полупроводниках, не имеющих примесей, собственная электропроводность при невысоких температурах (комнатных) невелика. Поэтому в большинстве технических полупроводниковых материалов желаемую величину проводимости можно получить лишь введением в них определенных примесей.

Кроме подвижности, носители электрических зарядов харак­теризуются и другими характеристиками, из которых наиболее важные — время жизни носителей τ (тау) и длина свободного пробега l. Время жизни — время существования электрона или дырки в свободном состоянии, а длина свободного пробега электрона есть расстояние, на котором электрон движется без столкновений с собственными атомами или с положительно ионизированными атомами примесей — дырками.

Если измерять ток в полупроводнике при разных напряжениях, то можно заметить, что прямой зависимости между током и напряжением здесь нет. Ток при повышении напряжения возрастает в полупроводнике значительно быстрее напряжения.

Это хорошо иллюстрируется вольтамперной характеристикой, показанной на рис. 148. Если при перемене напряжения на обратное (— U), изменение направления тока в полупроводнике исходит по такому же закону, но в обратном направлении, то полупроводник имеет симметричную вольтамперную характеристику. Искусственно можно создать разные по величине электрические сопротивления полупроводника в двух направлениях, а именно : при протекании тока в одном направлении сопротивление полупроводника может быть меньше, а при протекании тока в противоположном направлении – больше. Тогда в разных направлениях будет протекать ток различной величины: больший в направлении с меньшим сопротивлением, а меньший – в направлении с большим сопротивлением. В этом случае получиться несимметричная вольтамперная характеристика (рис.150 ).

 

 

Рис. 148. Вольтамперная характе­ристика полупроводника

рис.149.Симметричная ВАХ полупроводника

В таком полупроводнике различают прямой быстро возрастаю­щий ток I_пр и обратный ток I_о6р, нарастание которого очень мало даже при очень большом обратном напряжении. Последнее на­правление тока в полупроводнике называется запирающим.

При невысоких температурах полупроводника, в зависимости от валентности атомов примеси, в нем можно ожидать примес­ную электропроводность — электронную или дырочную. При нагревании же полупроводника в нем будет значительно уве­личиваться собственная электропроводность, при которой количе­ства собственных свободных электронов и дырок равны. Поэтому при высоких температурах преобладающей будет собственная электропроводность, при которой действительны оба ее типа: n – и p- электропроводности. При этом исчезают различия в электропроводности. Это означает, что если благодаря примесям германий при низких температурах имел преимущественно дырочную электропроводность, то при высоких температурах ее преобладание исчезает. График изменения величины удельной проводимости γ полупроводника в зависимости от температуры показан на рис. 151. Рис.151. Области собственной и примесной электропроводности в зависимости от температуры .

 

 

1,ма

Рис.150 Несимметрич­ная вольтамперная хара­ктеристика полупровод­ника

Рис. 152. Зависимость сопротивления и тока в полупроводнике от напряжения

Полупроводниковые материалы весьма чувствительны к по­вышению температуры. Этим свойством отдельных полупровод­ников пользуются для создания термосопротивлений, которые можно применять для изменения температур или стабилизации температуры в различных установках. Такие полупроводники можно использовать также для изготовления из ниx термоэлементов или термогенераторов, превращающих тепловую энергию в электрическую. Действительно, если один конец электронного полупроводника нагреть сильнее другого, то это вызовет перемещение электронов из горячего участка полупроводника (где их концентрация и энергия выше) в холодный участок. Тем са­мым в холодном участке создается преобладание отрицательных электрических зарядов, и он зарядится отрицательно, а горячий участок, наоборот, зарядится положительно. На концах полупроводника появится разность потенциалов — термоэлектродвижущая сила. В полупроводниках же с дырочной электропроводностью горячий участок зарядится отрицательно, а холодный — положительно. Эти явления усиливаются, когда два различных

■

I

полупроводника, соответственно подобранные, находятся в контакте друг с другом. Если создать из таких различных полупроводников замкнутую цепь и пропускать через них электрический ток от внешнего источника, то участок спая полупроводников будет или нагреваться или охлаждаться, в зависимости от природы полупроводников и направления электрического тока. Это явление используется для изготовления полупроводниковых холодильников, термисторов и других технических устройств.

Весьма важным для использования полупроводниковых материалов является тот факт, что некоторые полупроводники резко повышают свою проводимость под действием световых излучений. Это вы­зывается тем, что световые излучения передают электронам, слабо закреп­ленным в атомах, определенные коли­чества энергии, достаточные для того, чтобы освободить их из атома. Это свойство полупроводников называется фотопроводимостью. Если такие полу­проводники приключить к внешнему источнику напряжения, то в темноте они будут иметь меньшую проводи­мость, а на свету или при специальном освещении — значительно большую. Это свойство используется в фотосо­противлениях, чувствительных не толь­ко к видимому участку спектра, но и к инфракрасным излучениям.

Полупроводники с фотопроводимостью можно использовать для создания фотоэлементов, преобразующих энергию светового излучения в электрическую. Если осветить часть полупроводника, то в освещенном и неосвещенном участке возникнет различная концентрация электронов, т. е. создается разность потенциалов — фотоэлектродвижущая сила. На этом принципе работают различные фотоэлементы и преобразователи солнечной энергии в электрическую — солнечные батареи.

Электрическое сопротивление полупроводниковых материалов не является величиной постоянной (как в металлических провод­никах), а зависит от величины прилагаемого к нему напряжения. Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается с увеличением приложенного к ним напряжения, а ток увеличи­вается.

На (рис. 152) показаны кривые зависимости сопротивления и тока в полупроводнике от приложенного к нему напряжения. Из рисунка видно, что сопротивление с увеличением напряжения резко падает, а ток резко возрастает.

Полупроводник с несимметричной вольтамперной характеристикой в течении одной полуволны переменного напряжения будет пропускать ток, а в течении другой полуволны ток пропускать не будет. Такие полупроводниковые материалы могут быть использованы для изготовления из них полупроводниковых выпрямителей.

 

 

§ 66. Полупроводниковые материалы и изделия.

 

Полупроводники составляют обширную область материалов, отличающихся друг от друга большим многообразием электриче­ских и физических свойств, а также большим многообразием химического состава, что и определяет различные назначения при их техническом использовании.

По химической природе современные полупроводниковые ма­териалы можно распределить на следующие четыре главные группы.

1. Кристаллические полупроводниковые материалы, постро­енные из атомов и молекул одного элемента. Такими материала­ми являются широко используемые в данное время германий (Ge), кремний (Si), селен (Se), карбид кремния (SiC), а также те одноатомные вещества, которые могут быть введены в основ­ные материалы в качестве активных примесей: фосфор (Р), мышьяк (As), бор (В), олово (Sn), индий (In), галлий (Ga).

2. Окисные кристаллические полупроводниковые материалы, т.е. материалы из окислов металлов. Главные из них закись ме­ди (Сu₂О), окись цинка (ZnO), окись кадмия (СdО), двуокись титана (TiO₂), окись никеля (NiO) и др. В эту жe группу вхо­дят материалы, изготовляемые на основе титаната бария, строн­ция, цинка, и другие неорганические соединения с различными малыми добавками.

3. Кристаллические полупроводниковые материалы на осно­ве соединений атомов третьей и пятой групп системы элементов Менделеева, которые можно обозначить обшей формулой A^III B^V, где буквы означают атомы, а римские цифры — номера групп. Примерами таких материалов являются антимониды индия (In), галлия (Ga) и алюминия (А1), т. е. соединения сурьмы (Sb) с индием, галлием и алюминием. Они получили наименование ин­терметаллических соединений.

4. Кристаллические полупроводниковые материалы на основе соединений серы (S), селена (Se) и теллура (Те) с одной сто­роны и меди (Си), кадмия (Cd) и свинца (РЬ) с фугой. Такие вещества называются сульфидами, селенидами и теллуридами.

Все полупроводниковые материалы, как уже указывалось, кроме того, могут быть распределены по кристаллической структуре на две группы. Одни материалы изготавливаются в виде больших одиночных кристаллов (монокристаллов), из которых вырезают по определенным кристаллическим направлениям пластинки различных размеров для использования их в выпрямителях, усилителях, фотоэлементах. Такие материалы составляют группу монокристаллических полупроводников. Наиболее распространенными монокристаллическими материалами яв­ляются германий и кремний. За последнее время разработаны методы изготовления монокристаллов и из карбида кремния (SiC). Разрабатываются также монокристаллы интерметаллических соединений. Другие полупроводниковые материалы пред­ставляют собой смесь множества малых кристалликов, беспорядочно спаянных друг с другом. Такие материалы называются поликристаллическими.Представителями поликристаллических полупроводниковых материалов являются селен и карбид крем­ния, а также материалы, изготовляемые из различных окислов методами керамической технологии.

Германий (Ge) — элемент четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Германий имеет ярко-серебри­стый цвет. Температура плавления германия равна 958.5°С. В природе он встречается часто, но в весьма малых количествах. Присутствие германия обнаружено в цинковых рудах и в золах разных углей. Основным источником получения германия являет­ся зола углей и отходы металлургических заводов. Полученный на заводах в результате ряда химических операций слиток гер­мания еще не представляет собой вещества, годного для изго­товления из него полупроводниковых приборов. Он содержит нерастворимые примеси, не является еще монокристаллом и в него не введена примесь, обусловливающая необходимый вид электропроводности. Для очистки слитка от нерастворимых при­месей широко применяется метод зонной плавки. Этим методом могут быть удалены лишь те примеси, которые различно раство­ряются в данном твердом полупроводнике и в его расплаве.

 

 

На (рис. 153) показана схема устройства для очистки германия по этому способу. Слиток германия 1, подлежащий очистке от примесей, помещается в графитовую лодочку, которая вместе со слитком ставится в кварцевую трубу.

Рис. 153. Схема метода зонной отчистки германия:

1-слиток, 2-катушки индикатора, 3-зоны расплавленного германия, 4-каретка, 5-кварцевая трубка.

Для предотвращения окисления германия кислородом воздуха и дополнительного попадания в него примесей через кварцевую трубу в течение всей плавки пропускают какой-либо инертный газ: азот, гелий или
аргон. С помощью высокочастотных нагревателей — катушек
индуктивности 2, питаемых от генераторов высокой частоты, слиток германия разогревается в нескольких местах (зонах) до состояния, близкого к плавлению. Эти зоны в результате движения каретки 4, на которой закреплены нагреватели, непрерывно передвигаются по длине очищаемого слитка. В каждой зоне та­ким образом будут места более или менее нагретые.

Так как примеси растворяются различно в нагретых местах слитка, то нерастворимые или слабо растворимые примеси в твердом слитке будут переходить (диффундировать) в горячие участки слитка. Когда последний нагреватель достигнет края слитка, в эту часть слитка переместятся и атомы примесей. Про­цесс повторяется несколько раз, и в результате германий полу­чается определенной чистоты, содержание примесей в котором не превышает 0.00001%. В полученный таким образам чистый германий вводится необходимое количество легирующей примеси, которая обеспечивает ей электропроводность n- или р- типа и сопротивление заданной величины.

Обе эти операции осуществляются в одной установке пре­имущественно методом вытягивания монокристалла из его рас­плава. Этот метод состоит в следующем. Очищенный слиток гер­мания вместе с введенными в него легирующими примесями расплавляют в графитовом тигле. В расплав германия погру­жается монокристаллическая затравка из чистого германия и при определенной установившейся температуре в расплавe затравка медленно поднимается вверх, а вместе с ней вытягивается из рас­плава растущий монокристалл германия. Нагрев тигля осуществляется с помощью индукционных катушек, приключенных к высокочастотному генератору. Тигель изготовляется из чистого графита.

Установка для вытягивания монокристаллов германия снаб­жена устройством для регулировки температуры и регулятором скорости вытягивания монокристалла.

Германий обладает большой твердостью, но чрезвычайно хрупок и раскалывается на мелкие куски при ударах. Однако при помощи алмазной пилы или других устройств его можно распилить на тонкие пластины.

Отечественной промышленностью изготовляется для диодов германиевый полупроводниковый материал марок AM, БМ. ГМ и ДМ с удельным сопротивлением от 0,2 до 45 Ом·см, а для трио­дов материал марок ГЛС, ГЭ и ГД с удельным сопротивлением от 1 до 20 Ом·см и выше. Удельное же сопротивление чистого германия при комнатной температуре ρ = 60 Ом·см.

Германий как полупроводниковый материал широко исполь­зуется не только для диодов и триодов; из него изготовляются фотосопротивления, мощные выпрямители на большие токи, раз­личные датчики, применяемые для измерения напряженности магнитного поля, термометры сопротивления для низких темпе­ратур и др.

Кремний (Si) широко распространен в природе. Он, как и германий, является элементом четвертой группы системы эле­ментов Менделеева и имеет такую же кристаллическую (кубиче­скую) структуру.

Полированный кремний приобретает металлический блеск. Его температура плавления значительно выше, чем у герма­ния, 1420°С. Удельное сопротивление кремния при комнатной температуре ρ_ν = 3·10⁵ Ом·см.

Химически чистый кремний получается из его галлоидных соединений (SiCl₄; SiJ₄) или из силана (SiH₄). Монокристаллы кремния получают (как и германия) вытягиванием из расплава.

Так как температура плавления кремния значительно выше, чем у германия, то тигель из графита заменяют кварцевым, так как графит при высокой температуре может реагировать с крем­нием и образовать карбид кремния (SiC). Кроме того, в рас­плавленный кремний могут попасть из графита загрязняющие примеси.

Отечественной промышленностью выпускается полупровод­никовый кремний с дырочной электропроводностью девяти ма­рок (КМД0, КМД1, КМД2, КМДЗ, КМД4, КМД5, КМД6. КМД7, КМД8) с удельным сопротивлением от 0,5 до 35 Ом*см и с элек­тронной электропроводностью тоже девяти марок (КМЭ0 КМЭ1 КМЭ2, КМЭЗ, КМЭ4, КМЭ5, КМЭ6, КМЭ7, КМЭ8) с удельным сопротивлением от 0,01—0,2 до 10—35 Ом·см.

Кремний, как и германий, широко применяется для изготов­ления многочисленных полупроводниковых приборов. В крем­ниевом выпрямителе достигаются более высокие обратные на­пряжения и рабочая температура, чем в германиевых выпрями­телях. Из кремния изготовляют точечные и плоскостные диоды и триоды, фотоэлементы для превращения солнечной энергии в электрическую и др.

 

Основные свойства германия и кремния

Таблица 44

Элемент	Удельный вес, г/см2	Температура плавления, °С	ρν, Ом*см	В	Подвижность,см2/сек*В
электронная	дырочная
Германий	5,32	958,5	60	15,7
Кремний	2,33		3*105	11,7

 

В таблице приведены основные свойства германия и кремния. Из таблицы видно, что чистый кремний обладает значительно большим удельным сопротивлением, чем германий, а величины подвижности электронов и дырок у него заметно ниже.

 

Рис. 154. Влияние концентрации примесей

на сопротивление германия и кремния

при комнатной температуре: 1-кремний; 2-германий.

 

На (рис. 154) показаны зависимости величин сопротивления германия и кремния обоих типов от концентрации примесей в них. Кривые на рисунке показывают, что легирующие примеси оказывают огромное влияние на величину удельного сопротивления:у германия оно изменяется от величины собственного сопротивления 60 Ом·см до 10-4 Ом·см, т. е. в 5·105 раз, а у кремния с 3·105 Ом·см до 10-4 Ом·см, т. е. в 3·109 раз.

На (рис. 155) показана типичная кривая зависимости удельной проводимости у полупроводникового материала от температуры. Здесь на вертикальной оси отложены величины у, а на горизонтальной оси – величины, обратные абсолютной температуре, т.е. если температура повышается, то при отсчете ее надо идти по горизонтальной оси (1/T°) справа налево.

На (рис. 156) видно, что с увеличением температуры удельная проводимость полупроводника вначале возрастает, а затем (начиная с температуры Т1 ) уменьшается и снова резко возрастает. Первое увеличение удельной проводимости объясняется увеличением количества заряженных частиц (электронов и дырок) благодаря активации атомов примесей. Временное же падение γ полупроводника в области высоких температур (начи­ная с Т1 и выше) объясняет­ся усилением колебательных движений атомов самого по­лупроводника. При этом электроны, встречаясь с ин­тенсивно колеблющимися атомами полупроводника, рассеиваются и их направ­ленное движение затруд­няется. В результате этого электрическое сопротивле­ние полупроводника возрас­тает, а проводимость падает. При переходе же к более вы­соким температурам (от Т2 и выше) начинают возбуждаться электроны атомов самого полу­проводника и одновременно возникают дырки. Наблюдаемое при этом резкое увеличение удельной проводимости полупровод­никового материала есть результат увеличения количества соб­ственных носителей электронов и дырок.

 

 

Рис. 156. Зависимость удельной проводимости полупроводника от температуры

 

Селен (Se) — элемент шестой группы периодической системы Менделеева, принадлежит к группе редких элементов. Он встре­чается в виде малой примеси в медных рудах и серном колчеда­не. При электролитическом рафинировании меди селен вместе с другими примесями обнаруживается в осадке, откуда он извлекается, а затем методом фракционной разгонки в высоком ва­кууме очищается от примесей. В твердом состоянии, селен может (быть кристаллическим или аморфным).

Кристаллический (серый) селен состоит из длинных спи­ральных цепочек, связанных между собой атомов. Эти цепочки расположены по углам шестиугольной элементарной кристалли­ческой ячейки. Серый селен получается из аморфного (черного) селена при температуре ниже 220°С, которая является его тем­пературой плавления. Черный аморфный селен может быть по­лучен из расплавленного жидкого селена быстрым охлаждением, таким образом, он представляет собой переохлажденную жидкость. При температуре 70°С жидкий селен становит подобным каучуку, а при 30°С — стеклообразным и хрупким.

Кристаллический селен является полупроводником с удельным сопротивлением ρ = 10⁵ Ом·см, тогда как аморфный селен является диэлектрикоми его сопротивление равно ρ = 10¹³ Ом* см. Кристаллический селен – полупроводник. Р- типа и может быть отнесен к примесным полупроводникам, так как он собственной электропроводностью не обладает. Величины подвижности дырок у него очень малы (меньше 1 см²/сек·В). Ранее было указано, что при высоких температурах у полупроводников основной электропроводностью является собственная. Соответственно прямолинейная зависимость в точке перехода от примесей к собственной электропроводности претерпевает излом. В данном же случае такого излома нет. Следовательно, у кристаллического селена собственная электропроводность не может быть осуществлена. Увеличение же удельной проводимости селена с повыше­нием температуры, очевидно, может быть объяснено повышением подвижности носителей положительных зарядов, т.е. дырок.

Кроме этой особенности, селен как полупроводник имеет еще некоторые присущие ему характерные свойства. Так, сопротивле­ние одиночного кристалла (монокристалла) селена уменьшается на 30% при давлении 1000 кг/см2. Особенно сильно уменьшается сопротивление селена при введении в него примесей, что используется для увеличения прямых токов в выпрямителях. В качестве таких примесей применяются галогены (Cl2, Br2, J2). Наконец следует отметить, что при освещении селена ток возрастает, что дает возможность использовать его для изготовления фотосопротивлений. Однако у селеновых фотосопротивлений зависимость фототока от светового потока нелинейна; это ограничивает их применение.

Селен используется для изготовления фотоэлементов, т.е. элементов, преобразующих световую энергию в электрическую. Особенно широко применяется он для изготовления многочисленных селеновых выпрямителей, используемых в электро- и радио технике. В этих выпрямителях селен наносится на железную или алюминиевую подложку после соответствующей ее обработки для лучшего сцепления селена с подложкой. Для уменьшения пе­реходного сопротивления между слоем селена и подложкой на последнюю наносится (вакуумным распылением) тонкий слон висмута.

Селен на подложку наносится вакуумным распылением при повышенной температуре. Толщина селенового слоя составляет примерно 40—60 мк. При этом употребляется стекловидный се­лен с присадкой малого количества галоидного селена. После нанесения на подложку селен переводится в кристаллический и подвергается (для повышения удельного сопротивления) термо­обработке при температуре, близкой к температуре плавления селена (220°С); р-n – переход между дырочным селеном и элек­тронным полупроводником создается распылением на поверхно­сти селена сплава, содержащего кадмий (селенид или сульфид кадмия). Полученный таким образом выпрямительный элемент затем подвергается электрической формовке путем длительного (в течение нескольких часов) приложения постоянного напряже­ния в запирающем направлении. В результате сопротивление в этом направлении увеличивается в сотни раз.

В табл. 45 Приведены основные электрические свойства кри­сталлического и аморфного селена.

Основные свойства селена

Таблица 45

Элемент	Удельный вес, г/см2	Температура плавления, °С	ρν, Ом*см	В	Подвижность,см2/сек*в
электронная	дырочная
Кристаллическая     Аморфный	4,8   4,2		5*106-1*105     1012-1013	-   6,3	-   (4,5-5,5)*10-1	0,003-0,70     0,1-0,2

 

В качестве материала для изготовления нелинейных сопро­тивлений особенно широкое применение получил поликристаллический материал — карбид кремния (SiC). Из карбида кремния изготовляют вентильные разрядники для линий электропередач – устройства, соединяющие линию электропередачи с землей. В них диски из нелинейного материала (карбида кремния) пропускают ток под действием волн перенапряжений, возникающих в линии, в результате чего восстанавливается нормальная работа линии. При нормальном же напряжении на линии сопротивления этих дисков возрастают и ток утечки с линии на землю прекращается.

Карбид кремния получают искусственно путем тепловой об­работки смеси двуокиси кремния (Si0₂) с углем при высокой температуре. По цвету различают два вида карбида кремния — зеленый и черный. Они отличаются друг от друга по типу элек­тропроводности, а именно: зеленый карбид кремния является полупроводником с электропроводностью n-типа, а черный — полупроводником с электропроводностью р- типа.

Большой технический интерес представляет получениечисто­го карбида кремния в виде одиночных кристаллов.

За последние годы в отечественной и зарубежной практике появились полупроводниковые материалы, изготовляемые мето­дом керамической технологии из различных окисливщелочно-земельных металлов и окислов титана. Такие полупроводни­ковые материалы используют для получения линейных и нели­нейных сопротивлений, термисторов, у которых сопротивление сильно зависит от температуры. У большинства термисторов это изменение сопротивления при увеличении температуры падает. Однако есть термисторы, у которых с увеличением температурысопротивление будет нарастать. Полупроводниковые термисторы используются в электроизмерительных и других устройствах для стабилизации сопротивления электрических цепей, а точного измерения температуры.

 

 

§ 67. Основные полупроводниковые изделия.

 

Изделия из полупроводниковых материалов называют полупроводниковыми элементами или приборами. По характеру выполняемой ими работы в электротехнических устройствах они весьма многообразны. К ним в первую очередь относятся полупроводниковые выпрямители (диоды) и усилители (триоды).

Основной частью полупроводниковых выпрямителей являются так называемые – p-n-переходы, т.е. контактные соединения двух полупроводников, из которых один обладает электропроводностью n –типа, а другой – электропроводностью p –типа. На (рис. 157) показана схема p-n-перехода, т.е. соединение полупроводника n –типа (слева) с полупроводником p –типа (справа).

 

Рис. 157. Схема образования p-n-перехода в полупроводнике:(а)соединениеполупроводников p-n-типов;

(б)образование двойного электрического слоя на грнице p и n-полупроводников.

 

При отсутствии напряжения на электронах 1,2 в полупроводнике n –типа имеется более высокая концентрация свободных электронов, чем в полупроводнике p –типа. В последнем же преобладает концентрация дырок. При плотном контакте этих полупроводников (осуществляемом, например, вплавлением одного полупроводника в другой) электроны

n- полупроводника будут диффундировать в р- полупроводник, где их недостаточно, а дырки р- полупроводника будут диффундировать в n-полупроводник, где их мало. Это движение электронов и дырок навстречу друг другу уменьшит концентрацию электро­нов в пограничном слое со стороны n- полупро­водника и зарядит его положительно, а в по­граничном слое со сто­роны р- полупроводника уменьшит концен­трацию дырок и заря­дит его отрицательно. Следовательно, еще до подачи к электродам 1, 2 напряжения на границе между полупро­водниками создается двойной электрический слой (рис.157). В результате образова­ния двойного электри­ческого слоя на грани­це раздела двух полу­проводников (p-n пе­реход) возникает мест­ное электрическое поле с напряженностью Е₀.

Теперь рассмотрим, как будет работать такой полупроводни­ковый выпрямитель при приложении к его электродам перемен­ного напряжения. В случае, когда напряженность Е внешнего источника будет совпадать с напряженностью Е₀ местного поля, электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике р- типа будут перемещаться от границы р- перехода к электро­дам 1 и 2 (рис.158,а ). В результате этого р- переход будет еще более освобождаться от электронов и дырок, а следователь­но, область дырок в n- полупроводнике и область электронов в р- полупроводнике будут расширяться. В результате этого элек­трическое сопротивление р- перехода сильно возрастет, т. е создастся запирающий слой и ток данной полуволны пропускать­ся не будет. Фактически будет протекать очень незначительный ток, обусловленный перемещением случайных носителей. Такой ток называется обратным током Iобр.

 

Рис.158. Схема работы p-n-перехода полупроводникового плосткостного диода, включенного на внешний источник тока: а) в обратном направлении; б)в прямом направлении.

Рис. 159. Вольтамперная характеристика германиевого сплава

В случае, когда напряженность Е внешнего источника будет направлена против местного поля напряженностью Е₀ (рис. 158,б), то местное поле будет ослаблено и электроны в полупроводнике n –типа начнут притекать а область p-n-перехода.

 

Одновременно в полупроводнике p –типа дырки будут перемещаться тоже в область p-n-перехода. В результате этого запирающий слой суживается, а его электрическое сопротивление резко уменьшается. При этом p-n-переход начнет пропускать ток только той полуволны переменного напряжения, которая направлена против местного напрядения запирающего слоя. Этот ток называется прямым током I_пр, а само направление тока в выпрямителе называется прямым, или пропускным направлением. Прямой ток I_пр значительно больше обратного тока I_обр, протекающего через p-n-переход. Работа полупроводникового выпрямителя иллюстрируется его вольтамперной характеристикой, показанной на (рис. 159). Она показывает, что при малых величинах напряжения (до 0,5 В), прямой ток I_пр, пропускаемый выпрямителем, достигает сравнительно больших величин (100 мА) При другой же полуволне переменного напряжения (U_обр) , полупроводниковый выпрямитель практически тока не пропускает, до величины обратного напряжения примерно 30 В. Только начиная с 30 В обрат­ного напряжения, p-n-переход начинает пропускать очень малые величины тока обратного направления I_обр. Если же увеличивать обрат­ное напряжение (U_обр), то обратный ток с некоторого момента начнет возрастать и может достигнуть такой величины, при которой про­изойдет пробой p-n-перехода (точка а на рис. 159).

В полупроводниковых ди­одах p-n-переход осущест­вляется в виде контакта между пластинками двух полупроводников с разными типами электропроводности или в виде контакта между пластиной полупроводника и металлическим острием. В первом случае диоды называются плоскостными, а во втором — точечными.

 

Рис. 160. Схема плоскостного германиевого диода:

1- контактные выводы, 2- стеклянный изолятор, 3- корпус, 4- верхний токосниматель, 5- индий, 6- германиевая пластинка, 7- нижний токосниматель.

 

На (рис.160) показан схематический разрез плоскостного германиевого диода. Основой его является пластинка германия с электропроводностью n–типа. На одну из ее поверхностей наносится капелька расплавленного индия. Пластинку помещают в вакуум-камеру, в которой поддерживается температура 500-550°С. При этом атомы индия диффундируют в твердый германий и образуют в нем слой небольшой толщины (около 10^-5см), который обладает электропроводностью р-типа. В результате этого получается контактное соединение двух полупроводников, из которых один обладает электропроводностью n-типа, а другой – электропроводностью р- типа, т.е. образуется p-n-переход.

Индий, растекаесь по поверхности германия, создает p-n-переход на сравнительно большой площади. В результате этого у плосткостных диодов емкость значительно больше, чем у точечных. Это ограничивает их область применения в радиотехнике. Однако выпрямленный ток в этих диодах может быть повышен до 300 ма,а обратное напряжение до 400 В.Отечественной про­мышленностью выпускаются плоскостные диоды типов: Д7А, Д7Б, Д7В, Д7Г, Д7Д, Д7Ж идр. У этих диодов наблюдается заметная зависимость их характеристик от температуры: увели­чение прямого тока I_пр при 50°С снижает обратное напряжение. Однако, применяя охлаждение, можно добиться увеличения I_пр без снижения обратного напряжения (U_o6p).

Известно, что кремний как полупроводниковый материал, мо­жет быть использован при больших рабочих температурах, чем германий, т. е. при температурах 130—180°С. Поэтому представ­ляют значительный технический интерес кремниевые диоды. В ка­честве примера можно остановиться на кремниево-алюминиевом плоскостном диоде. Контактный p-n-переход в нем создается сплавлением алюминия и кремния. Такой диод допускает плот­ность тока до 200 А/см². Охлаждение диода достигается с помощью медного радиатора, которым снабжаются эти диоды.

 

 

Рис. 161. Германиевый точечный диод ДГ-Ц:

а- внешний вид, б- разрез, в- вольтамперная характеристика: 1- керамическая втулка, 2 и 3- металлические фланцы, 4- игла из вольфрамовой проволоки, 5- кристаллодержатель, 6- кристалл германия, 7- выводы.

 

На (рис. 161) показан общий вид, разрез и вольтамперная ха­рактеристика германиевого точечного диода. В нем вольфрамо­вая тонкая проволочка 4в виде пружины закрепляется в левом фланце, конец ее заостряется ввиде иглы механическим или электролитическим путем. Небольшую шлифованную пластинку 6 германия n-типа с площадью поверхности 2 мм² припаивают к металлическому кристаллолержателю 5. Контакт между иглой ипластинкой кристалла осуществляется сваркой прямымтоком в течение нескольких секунд. При этом площадь контакта полу­чается около 50 мк².

Отечественной промышленностью изготовляется несколько марок германиевых точечных диодов с предельно допустимым обратным напряжением от 30 до 100 В и с выпрямительным током I_пр=10/80 мА. Емкость этих диодов невелика (меньше 1 пФ), что позволяет использовать их в установках высокой частоты: до 100 МГц и выше. Мощность таких диодов 1-3 Вт. Эти диоды весьма заметно изменяют свои параметры в зависимости от температуры. Так, при понижении температуры до -50°С прямой ток уменьшается, а при повышении температуры до 70°С обратный ток сильно увеличивается.

 

Рис. 162. Схема селенового выпрямительного элемента: 1- катодный сплав, 2- запирающий слой, 3- слой селена, 4- алюминиевая или стальная пластинка.

 

Селеновые выпрямители состоят из соединенных друг с дру­гом выпрямительных селеновых элементов (рис. 162). Основой выпрямительного элемента является железная никелированная или дюралюминиевая пластинка 4 толщиной 0,6—1,0 мм. На нагретые пластинки (шайбы) наносят аморфный селен, после чего шайбы подвергают прессованию с целью получения слоя селена одинаковой толщины. Чтобы перевести аморфный селен в крис­таллический, пластинки проходят затем термическую обработ­ку при температуре около 220°С. Образовавшийся слой 3 кристаллического селена представляет собой полупроводник с электропроводностью р- типа.

На слой кристаллического селена толщиной 35—60 мк нано­сят тонкий слои сплава, состоящего из висмута, кадмия и олова. Этот сплав плавится при температуре 105°С. В результате этого на поверхности поликристаллического селена образуется слой 1 из селенистого кадмия, который является полупроводником n- типа. Запирающий слой 2 в селеновом элементе располагается между слоем кристаллического селена и слоем селенистого кадмия (селенид кадмия).

Рис.163. Схема и детали селенового столбика: 1- монтажный болт, 2- металлическая гайка, 3- металлическая шайба, 4- изоляционная шайба, 5- контактный вывод, 6- металлическая пластинка, 7- слой селена, 8- катодное покрытие (селенистый кадмий), 9- пружинящая шайба, 10- электроизоляционная трубка.

 

 

Прямой ток в селеновом элементе протекает в направлении от металлической пластинки (шайбы) к катодному слою 1 селенистого кадмия. Рабочее напряжение (в обратном направлении) селеновых выпрямительных элементов находится в пределах от 18 до 45 В.

В селеновых выпрямителях отдельные элементы собирают в столбики (рис. 163) и стягивают друг с другом болтом 1. Болт изолирован от металлических пластин 3 электроизоляционными прокладками 4, а также с помощью электроизоляционной труб­ки 10. Выпрямительные элементы в столбиках располагаются друг от друга на некотором расстоянии с помощью дистанцион­ных и пружинящих шайб 9. Это обеспечивает наиболее интенсив­ное их охлаждение. В столбиках выпрямительные элементы мо­гут быть соединены последовательно, параллельно или смешанно в зависимости от назначения выпрямителя.

Отечественной промышленностью выпускается свыше 600 типоразмеров выпрямительных столбиков. Селеновые выпрямители могут работать в интервале температур от —60 до +75°С; срок службы их достигает 10 000 час. Пробой селенового выпрями­тельного элемента не выводит его из строя, так как место пробоя заполняется аморфным селеном. При этом пропускная способность выпрямительного элемента несколько понижается.

 

Рис.164

Полупроводниковые триоды (усилители) могут быть плоскостные и точечные. Плоскостные триоды представляют собой систему, состоящую из трех полупроводников, находящихся в плотном контактном соединении. Крайние два полупроводника имеют одинаковый тип электропроводности, например, n-типа, а третий полупроводник, расположенный между ними, обладает электропроводностью другого типа, например, р- типа(рис.164,а).Во всех триодах имеются два электронно-дырочных перехода, которые разделяют каждые два полупроводника с различными типами электропроводности. Представленный на (рис.164,а) полупроводниковый триод называется усилителем типа n—р—n.
При другом чередовании полупроводников (рис.164,б) триод называется усилителем типа р—n—р.В плоскостном триоде создают три области электропроводности введением в крайние части полупроводника р-типа донорной примеси (в триоде типа n—р—n) или введением в крайние части полупроводника n—типа акцепторной примеси (в триоде типа р—n—р). Каждая из трех областей в полупроводниковом триоде снабжается соотсвующим металлическим электродом и выводом от него. На (рис. 165) показана схема включения плоскостного триода типа р—п—р.

 

Рис. 165. Схема работы плоскостного триода типа р—п—р: R_n- сопротивление нагрузки,  -источник переменного тока.

 

Рассмотрим основные электрофизические процессы в этом по­лупроводниковом триоде при выполнении им своих функций. Как видно на (рис. 165) триод представляет собой систему, состоящую из двух переходов: р—п и п—р, причем области п объединены в одну область. Ясно, что при подключении р- областей триода к разным полюсам источника внешнего напряжения создаются условия для движения дырок от одной р- области (слева) к дру­гой р- области расположенной справа. Однако такое включение не даст еще должного эффекта усиления. Поэтому необходимо среднюю часть триода, т. е. п- область, включить к разным по­люсам двух источников постоянного напряжения (вместе с каж­дой из р- областей). Левая р- область подключена вместе с п- об­ластью так, что плюс источника Б₁ подведен к этой р- области, а минус к п- области. При этих условиях осуществляется в р- области (слева) прямое направление тока. Действительно, дыр­ки из левой р- области под действием подведенного постоянного напряжения будут перемещаться но направлению к п- области. Таким образом, р- область высылает дырки и вводит их в п- об­ласть триода. Эта р- область получила название эммитерной, а ее электрод Э — эмиттера. На созданное таким образом прямое направление тока к р-п- переходу подается небольшое напряжение для получения электрического поля достаточного для обеспечения введе­ния дырок в п- область. Последняя, обеспечивая ток в прямом на­правлении, должна пропустить через себя дырки.

В триоде n-область является основной областью, связанной электрически с обеими р- областями, поэтому она называется базовой областью или базой Б. Эта область имеет свободные электроны, которые при переходе через нее дырок будут частично с ними рекомбинировать и тем самым уменьшать дырочный ток. Для снижения интенсивности рекомбинации базу выполняют в виде тонкого слоя (0,01—0,05 мм). Все же ток, обусловленный перемещением дырок, проходя через базу, несколько уменьшается по величине. Правая р- область триода вместе с базой подключены к другому источнику Б₂ постоянного тока так, что база присоединена к положительному полюсу источника. Это обеспечивает включения п-р- перехода в обратном направлении, которое соответствует высокому сопротивлению п-р- перехода. Пройдя базу, дырки попадают в правую р- область, которая их как бы собирает. Эта область называется коллекторной, а ее электрод К- коллектором.

Как видно из (рис. 165), на коллектор и базу подается более высокое напряжение (от батареи Б₂), чем на эмиттер и базу (от батареи Б₁). Это делается для того, чтобы снизить действие запорного слоя, образующегося на границе между базой и коллекторной областью, т. е. в п—р- переходе.

На (рис. 165) показано, что часть путей дырочного тока прекращается в базе в результате рекомбинации дырок с электронами базы. Поэтому дырочный ток уменьшается. Помимо дырочного тока, в триоде текут не­большие электронные токи. Они создаются электронами коллектора, направляющими­ся к базе, а также электронами базы, направляющимися в эмиттерную область. В коллекторную же р- область электроны из базы проникнуть не могут, так как этому противодействует электрическое поле кол­лектора Е_к. Дырки же, поступающие из эмиттера, проходят коллекторную р- область легко, поскольку поле коллектора способ­ствует этому движению.

Таким образом, ток в цепи база — кол­лектор в основном определяется движением тех дырок, которые будут поставляться эмиттером.

При малых напряжениях на коллекторе ток в нем будет прямо пропорционален этому напряжению. С увеличением же на­пряжения на коллекторе дырки, приходящие из эмиттера в кол­лекторную область, будут продвигаться к коллектору быстрее, чем поступать из эмиттера. Поэтому приток дырок в коллектор уже не будет обеспечивать увеличение тока, пропорционально повышению напряжения на коллекторе. Это способствует возра­станию сопротивления в цепи коллектора, которое повысится до нескольких мегом. На рисунке дана вольтамперная кривая коллектора, ясно показывающая замедленный рост тока в коллек­торной области триода (после точки А на графике). При этом электрическое сопротивление коллекторной области r_к значи­тельно превзойдет сопротивление эмиттерной области г_э. В ре­зультате этого при небольшом увеличении напряжения на эмит­терной области r_э оно вызовет небольшое увеличение тока в коллекторной области триода. Вследствие же очень большого сопротивления коллекторной области это вызовет значительное увеличение напряжения ΔUк на коллекторе, которое будет во много раз больше ΔUэ. Таким образом, в в плоскостном триоде можно получить усиление сигнала по напряжению, поданному на эмиттер от генератора.

 

Рис.166.

 

Соотношение токов коллектора i_к и эмиттера i_э в таких триодах меньше единицы (около 0,95). Зная внутренние сопротивления эмиттера и коллектора (r_э и r_к), можно подсчитать усиление по напряжению. В плоскостных триодах r_э= 500 Ом; r_к= 10⁶ Ом. Тогда коофициент усиления по напряжению равен:

 

β = U_к / U_э = i_к r_к / i_э r_э = 0,95 r_к / r_э = 0,95 10⁶/500=1900.

 

Рис. 167 Схема полупроводникового точечного триода

Наряду с плоскостными триодами нашли применение также точечные триоды (рис. 167). Основой их является германиевая или кремниевая пластинка, обладающая электропроводностью п- типа. На эту полупроводниковую пластинку опираются два острия из бронзовой и медной проволок. Одна из проволочек является коллектором К, а другая – эмиттером Э. В местах, где острия соприкасаются с полупроводниковой пластинкой, в последней образуются две области с электропроводностью р- типа. В этой конструкции усилителя контакт каждого металлического электрода с пластинкой полупроводника осуществляется в одной точке, поэтому такие триоды называют точечными.

 

 

Рис. 168. Конструкции полупроводниковых триодов:

а- точечный триод, б- плоскостной триод.

 

Они находят применение навысоких частотах. На (рис. 168) показаны разрезы точечного и плосткосного триодов.

Преимущества полупроводниковых выпрямителей и усилителей перед электронными лампами заключаются в том, что онине имеют цепей накала и собственное потребление энергии оченьмало; они вступают в работу сразу после включения. Кроме того, полупроводниковые приборы надежны в работе, портативны и обладают очень малым собственным весом.

Отечественной промышленностью изготовляется большое количество типов германиевых и кремниевых диодов и триодов.