Основи електроніки
Лекція 16. Тема 10
ОСНОВИ ЕЛЕКТРОНІКИ
10.1 Електронно-дірковий перехід
Хімічним елементом називається з'єднання атомів з однаковим зарядом ядра. У природі з усіх хімічних елементів тільки гази: гелій, неон та інші знаходяться в одноатомному стані. Всі інші елементи тяжіють з'єднатися один з одним у певному порядку, утворюючи молекули. З'єднання у певному порядку атомів і молекул називається речовиною. Тверда речовина має свою структуру і складається з атомів, що мають у своєму складі ядра й електрони, які знаходяться на визначених енергетичних рівнях (заповнена зона, заборонена зона, валентна зона, зона провідності).
У речовині, яку називають напівпровідником, валентна зона і зона провідності розділені забороненою зоною, у провіднику такий розподіл відсутній, а в діелектрику є, але ширина забороненої зони набагато більше, ніж у напівпровідника. Розрізняють власні напівпровідники та напівпровідники з домішкою. Власними напівпровідниками є хімічні елементи IV групи періодичної таблиці Менделєєва: кремній (Si), германій (Ge), що мають 4 валентних електрони, які можуть вступити в хімічний зв'язок з електронами інших атомів. При незначній температурі один або декілька з цих валентних електронів можуть переходити в зону провідності на відміну від діелектрика.
Властивість атомів одного хімічного елемента приєднувати певну кількість атомів інших хімічних елементів називається валентністю. З'єднання атомів хімічних елементів у молекулу називається хімічним зв'язком. Він може виникнути, наприклад, при утворенні електронних пар: двох електронів, які належать одночасно двом атомам (тобто обертаються навколо ядер двох атомів); такий хімічний зв'язок називається ковалентним зв'язком. Якщо ковалентний зв'язок утворюється в результаті переходу електронної пари від одного хімічного елемента – донора (постачальника електронів) до іншого хімічному елементу – акцептору (користувачу електронів), то такий хімічний зв'язок називається донорно-акцепторним зв'язком.
Напівпровідник з домішкою утворюється у такий спосіб. Якщо в хімічний елемент IV групи внести домішку (хімічний елемент V групи), то при кімнатній температурі атоми домішки віддають 5-й електрон, який не бере участі у створенні хімічного зв'язку. В результаті атоми домішки, які розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, а в отриманій речовині з'являються вільні електрони. Такі речовини, у яких носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу (n – «negative» – негативний), а домішки, завдяки яким виникають вільні електрони, називають донорними.
Якщо в хімічний елемент IV групи внести як домішку хімічний елемент III групи, то при кімнатній температурі атоми домішки захоплюють електрони у деяких атомів хімічного елемента IV групи для утворення хімічного зв'язку. В результаті ці атоми, розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, навколо яких знаходяться нейтральні атоми. Нейтральні атоми, які знаходяться біля іона, віддають свої електрони позитивному іону, роблячи його нейтральним; при цьому вони самі стають позитивними іонами. Отже, місце позитивного іона увесь час змінюється, начебто переміщується позитивний заряд, який дорівнює за модулем заряду електрона. Відсутність електрона в атомі напівпровідника називають діркою, яка має позитивний заряд, рівний за модулем заряду електрона. Такі речовини, у яких носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу (р – «positive» – позитивний), а домішки, завдяки яким виникають дірки, називають акцепторними.
Якщо з'єднати напівпровідник р-типу з напівпровідником n-типу, то утвориться напівпровідник р-n-типу (який має р-шар та n-шар) у місці їх з'єднання створиться електронно-дірковий перехід (р-n-перехід), у якому електрони n-шару заповнюють дірки р-шару. Тому в місці з'єднання утвориться шар речовини, що не має вільних зарядів (тобто з великим опором), який називають замикаючим шаром. Товщина замикаючого шару складає кілька мікрометрів, його розширенню перешкоджає електричне поле нерухомих іонів домішок. Отже, у нейтральному стані, коли потенціали на кінцях напівпровідника дорівнюють нулю, упорядкований і спрямований рух зарядів у ньому відсутній, тобто сила струму дорівнює нулю (рис.10.1).
Якщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти позитивний потенціал (+j), а до n-шару – негативний потенціал (–j), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки. Нестача електронів у n-шарі та дірок у р-шарі компенсується за рахунок джерела електрорушійної сили: електрони від джерела надходять у n-шар, а з р-шару електрони надходять до джерела, утворюючи в цьому шарі дірки. Цей упорядкований і спрямований рух вільних зарядів у напівпровіднику (прямій електричний струм) відбувається доти, поки до нього прикладена пряма напруга від джерела електрорушійної сили: «+» – до р-шару, а «–» – до n-шару (рис.10.2).
Якщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти негативний потенціал (–j), а до n-шару – позитивний потенціал (+j), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть надходити до джерела, з якого будуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки (тобто відбудеться розширення замикаючого шару). Цей процес припиниться, коли товщина замикаючого шару стане пропорційною прикладеній напрузі джерела. У напівпровіднику буде відбуватися незначний упорядкований і спрямований рух зарядів (зворотний електричний струм) доти, поки до нього прикладена зворотна напруга від джерела електрорушійної сили: «–» – до р-шару, а «+» – до n-шару (рис.10.3).
Отже, речовини, електропровідність яких знаходиться між провідниками та діелектриками, називають напівпровідниками, характерними властивостями яких є:
– напівпровідник при прямій напрузі проводить електричний струм в одному напряму (є провідником), а при зворотній напрузі практично не проводить електричний струм (є діелектриком);
– при збільшенні температури питомий опір напівпровідників знижується (провідників, навпаки, зростає).
Запитання для самоконтролю
1. Які речовини називають напівпровідниками?
2. Якими властивостями володіють напівпровідники?
3. Як утворюються напівпровідники?
4. Що є носіями зарядів у напівпровідниках n-типу?
5. Як утворюються напівпровідники n-типу?
6. Що є носіями зарядів у напівпровідниках р-типу?
7. Як утворюються напівпровідники р-типу?
8. Як утворюються напівпровідники р-n-типу?
9. Що розуміється під р-n-переходом?
10. Що розуміється під замикаючим шаром?
11. Що розуміється під прямим струмом і прямою напругою напівпровідника?
12. Опишіть роботу напівпровідника р-n-типу при прямій напрузі.
13. Що розуміється під зворотним струмом і зворотною напругою напівпровідника?
14. Опишіть роботу напівпровідника р-n-типу при зворотній напрузі.
10.2 Напівпровідниковий діод
Напівпровідниковий діод являє собою електронний пристрій з одним електронно-дірковим переходом (р-n-переходом) і двома виводами.
В залежності від конструктивного виконання р-n-переходу розрізняють точкові діоди, які мають незначну потужність, та площинні діоди, які мають значну потужність. На принципових електричних схемах літерно-графічне позначення напівпровідникового діода наступне:
Залежність сили струму в діоді від прикладеної до нього напруги, вольт-амперна характеристика (ВАХ), показана на рис.10.4. Вона ж є узагальненою ВАХ р-n-переходу. Вольт-амперна характеристика напівпровідникового діода має три характерних ділянки:
1 – робота при прямій напрузі (протікає прямий струм: р-n-перехід відкритий, і сила струму обмежена тільки опором матеріалу напівпровідника);
2 – робота при зворотній напрузі (протікає зворотний струм: р-n-перехід закритий, і струм незначної сили проходить за рахунок незначної кількості не основних носіїв вільних зарядів у матеріалі напівпровідника (електронів у р-шарі та дірок у n-шарі);
3 – робота при напрузі пробою (зворотний струм різко збільшується: відбувається різке, («лавиноподібне») збільшення не основних носіїв вільних зарядів у матеріалі напівпровідника (електронів у р-шарі та дірок у n-шарі) при збільшенні зворотної напруги).
Для оцінки та вибору напівпровідникових діодів указують наступні технічні параметри:
– прямий струм: максимально припустимий (середній за період) струм, сила якого визначається нагріванням діода;
– пряма напруга: пряма імпульсна максимальна напруга для припустимого імпульсу прямого струму;
– потужність, що розсіюється діодом: максимальна потужність, яку здатний розсіювати діод;
– зворотна напруга: зворотна імпульсна максимальна напруга, яка дорівнює 70 % від напруги пробою;
– зворотний струм: сила струму, який протікає при зворотній напрузі.
Напівпровідникові діоди випускають кремнієві (на основі кремнію) і германієві (на основі германію): кремнієві діоди здатні працювати при температурі від 120°С до 150°С при прямій напрузі близько 1 В, германієві діоди здатні працювати при температурі від 55°С до 85°С при прямій напрузі близько 0,3 В. Для одержання більшої зворотної напруги діоди з'єднують послідовно, а для одержання більшого прямого струму діоди з'єднують паралельно.
