ЗАДАНИЕ НА: 23-28.03
Дисциплина Электротехника с основами электроники
Тема Полупроводниковые диоды
УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ
Общие сведения о полупроводниках.
Вещества, имеющие свободные носители зарядов (электроны или ионы) могут проводить электрический ток и называются проводниками. Вещества, не имеющие свободных носителей зарядов, не могут проводить электрический ток и называются диэлектриками. Полупроводниками называют вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества, в зависимости от внешних условий, могут иметь, или не иметь свободные носители зарядов. Типичными полупроводниками являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si).
В отличие от проводников полупроводники имеют не только электронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического поля и других факторов. Химическую связь двух соседних атомов с образованием на одной орбите общей пары электронов называют ковалентной или парноэлектронной и условно изображают двумя линиями, соединяющими электроны.
|
|
ковалентная связь атомов ее схематичное изображение
Например, германий принадлежит к элементам четвертой группы периодической системы элементов Менделеева и имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует ковалентные связи с четырьмя соседними атомами.
При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному кулю, все валентные электроны атомов в кристалле германия взаимно связаны и свободных электронов нет, так что германий не обладает проводимостью. При повышении температуры или при облучении увеличивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются, и в кристалле возникает электрический ток. Электропроводность, обусловленная перемещением свободныхэлектронов, называется электронной проводимостью полупроводника, или п -проводимостью. При появлении свободных электронов в ковалентных связях образуется свободное незаполненное электроном (вакантное) место - «электронная дырка». Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возникает избыточный положительный заряд. При наличии дырки какой-либо из электронов соседних связей может занять место дырки, и нормальная ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь электрон и т. д.
|
|
Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению электронов. Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок, называется дырочной проводимостью, или р- проводимостью.
Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимости большое число электронов поочередно замещают друг друга в ковалентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.
Свойства полупроводника в сильной степени меняются при наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами. Например, при замещении в кристаллической решетке атома германия атомом пятивалентного вещества (мышьяка, сурьмы, фосфора) четыре электрона этого вещества образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон окажется свободным, поэтому такая примесь увеличивает электронную проводимость (n -проводимость) и называется донорной. При замещении атома германия атомом трехвалентного вещества (индий, галлий, алюминий) его электроны вступят в ковалентную связь с тремя соседними атомами германия, а связи с четвертым атомом германия будут отсут-ствовать, так как у индия нет четвертого электрона. Восстановление всех ковалентных связей возможно, если недостающий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, появится дырка, которая может быть заполнена электроном из соседнего атома германия. Последовательное заполнение свободной связи эквивалентно движению дырок. Примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме вызывают преобладание дырочной проводимости и называются акцепторными.
Образование запирающего слоя.
Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (п -типа), а другой — с дырочной (р -типа ).
Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике п будет происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго полупроводника р-типа в первый n-типа. В тонком пограничном слое полупроводника п -типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р -типа—отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле напряженностью Еп, которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим р-п- переходом.
п |
р |
Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника р -типа, а отрицательный зажим с электродом полупроводника п -типа, получим замкнутую электрическую цепь, каждый участок которой обладает проводимость. И в цепи образуется электрический ток.
I
п |
р |
|
|
+
При изменении полярности источника питания первоначальное движение свободных электронов в полупроводнике п -типа к «плюсу» приведет к тому, что в приграничном слое исчезнут свободные носители зарядов, и в то же время приграничный слой оказывается заряженным «+» вследствие ухода электронов. В полупроводнике р -типа «дырки» начинают движение к «минусу», что приводит к исчезновению свободных носителей заряда в приграничном слое и создает на границе заряд «-», который блокирует попадание электронов в полупроводник п -типа. Аналогично «дырки» не могут попасть в полупроводник р -типа. На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий р-п -переход.
I
р |
п |
Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, т. е. является электрическим вентилем.
Следует помнить, что с повышением температуры количество свободных носителей заряда резко увеличивается и полупроводниковый диод теряет свойство односторонней проводимости.