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 vэ, или дырки vд 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 χэ=νэ/Е, а подвижность дырок χд =νд/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 nэ , а дырок буквой - рД , то проводимость γ полупроводника
γ=е(nэ χэ+ рД χд),
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. nэ=nД.
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 |
В таком полупроводнике различают прямой быстро возрастающий ток Iпр и обратный ток Iо6р, 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 |
■ |
I |
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 AIII BV, 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 ρν = 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 |
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 Iпр, а само направление тока в выпрямителе называется прямым, или пропускным направлением. Прямой ток Iпр значительно больше обратного тока Iобр, 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 Iпр, пропускаемый выпрямителем, достигает сравнительно больших величин (100 мА) При другой же полуволне переменного напряжения (Uобр) , 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 Iобр. Если же увеличивать обратное напряжение (Uобр), 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 Iпр при 50°С снижает обратное напряжение. Однако, применяя охлаждение, можно добиться увеличения Iпр без снижения обратного напряжения (Uo6p).
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 Iпр=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: Rn- 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 Ек. 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 rк значительно превзойдет сопротивление эмиттерной области гэ. В результате этого при небольшом увеличении напряжения на эмиттерной области rэ 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 iк и эмиттера iэ в таких триодах меньше единицы (около 0,95). Зная внутренние сопротивления эмиттера и коллектора (rэ и rк), можно подсчитать усиление по напряжению. В плоскостных триодах rэ= 500 Ом; rк= 106 Ом. Тогда коофициент усиления по напряжению равен:
β = Uк / Uэ = iк rк / iэ rэ = 0,95 rк / rэ = 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.