Полупроводники.

История развития электроники.

Фундамент для дальнейшего развития электроники был заложен работами физиков XVIII-XIX веков. Первые исследования электрических разрядов в воздухе были проведены в XVIII веке в России академиками М.В.Ломоносовым и Г.В.Рихманом, а так же американским ученым Б.Франклином. Важным событием было открытие электрической дуги академиком В.В.Петровым в 1802 году. Исследование процессов прохождения электрического тока в разряженных газах проводили в прошлом столетии в Англии – Крукс, Д.Томпсон, Тоунсенд, Астон, а тк же в Германии Гейслер, Гитгорф, Плюккер и др.

Одним из первых электронных приборов можно считать фоторезистор из селена, изобретенный в США У.Смитом в 1873 г. Так же А.Н.Лодыгин изобрел первый электровакуумный прибор – лампу накаливания. Примерно в то же самое время независимо от него такую же лампу разработал и усовершенствовал известный американский изобретатель Эдисон.

В 1874 году немецкий ученый К.Ф.Браун открыл эффект односторонней проводимости контакта металл – полупроводник (селен).

В 1887 году немецкий физик Герц открыл фотоэлектрический эффект. А.Г.Столетов в 1888г. Изучил его и описал основные законы.

Термоэлектронная эмиссия была открыта в 1884г. Эдисоном. Детальные исследования термоэлектронной эмиссии провел в 1901 году Ричардсон.

В 1895 году впервые осуществлена дальняя беспроводная связь А.С.Поповым, а годом позже – итальянцем Дж.Маркони.

 

Твердые тела условно можно разделить на три основные группы: проводники, полупроводники и диэлектрики. Их основной особенностью является различие в проводимости электрического тока, или удельном сопротивлении одного см3 материала [Ом×см], которое может находиться в следующих пределах:

· проводники ……………….. 10^-6 …10^-4 Ом×см;

· диэлектрики ………………..10¹⁰ …10¹⁵ Ом×см;

· полупроводники …………….10^-4…10¹⁰ Ом×см.

 

Исходя из положений теории электропроводимости, атом состоит из ядра, окруженного облаком электронов, которые находятся в движении на некотором расстоянии от ядра. При этом электроны, расположенные на внешней орбите атома вещества имеют название валентных. Они наименее связаны с ядром и определяют физические и химические свойства вещества.

В проводниках валентные электроны имеют слабую связь с ядром и поэтому достаточно легко покидают свои атомы, после чего хаотично перемещаются в материале – становятся свободными. Если проводник будет помещен во внешнее электрическое поле, возникает упорядоченное движение электронов – электрический ток.

Диэлектрик (изолятор) — вещество, плохо проводящее или совсем не проводящее электрический ток. Плотность свободных носителей заряда в диэлектрике не превышает 10⁸ шт/см³. Основное свойство диэлектрика состоит в способности поляризоваться во внешнем электрическом поле.

Полупроводники — вещества, которые по своей удельной проводимости занимают промежуточное место между проводниками и диэлектриками и отличаются от проводников сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения.

Полупроводники как правило обладают следующими свойствами:

· отрицательный температурный коэффициент электрического сопротивления – с увеличением температуры сопротивление уменьшается (у проводников – увеличивается);

· добавление примесей приводит к увеличению проводимости (у проводников – к снижению);

· на электрическую проводимость полупроводников оказывают влияние радиация, электромагнитное излучение.

В качестве полупроводников наиболее часто используются кремний, арсенид галлия, селен, германий, теллур, разные оксиды, сульфиды, нитриды и карбиды.

Рассмотрим механизм электропроводности полупроводника на примере кристаллической решетки германия (рис. 1.1).

Рисунок 1.1 – Кристаллическая решетка германия.

 

Германий относится к VI группе периодической системы Менделеева. Атомы германия располагаются в узлах кристаллической решетки, их связь с окружающими атомами осуществляется с помощью четырех валентных электронов. Сдвоенные линии между узлами указывают на ковалентный характер связей, т.е. каждая пара валентных электронов принадлежит одновременно двум соседним атомам. При температуре абсолютного нуля и при отсутствии излучения в полупроводнике отсутствуют подвижные носители и его электрическое сопротивление стремится к бесконечности.

При наличии внешних воздействий (теплового, светового, электрического или магнитного поля и др.) валентные электроны приобретают дополнительную энергию и могут освобождаться от атома и становятся свободными, не связанными с атомом (ионизация атома). Упорядоченное и направленное движение этих электронов к положительному полюсу обеспечивает n-проводимость (n – первая буква слова negativus – отрицательный; этим словом подчеркивается, что ток создают свободные отрицательные заряды – электроны). Покинув атом, электрон превратил до этого нейтральный атом в положительный ион. Положительный заряд атома, который появляется из-за того, что на внешней орбите нехватает электронов называют «дыркой». Это явление получило название генерация пары электрон-дырка. Процесс исчезновения пар электрон-дырка называют рекомбинацией, при этом выделяется тепло.

В полупроводниках дырки ведут себя подобно свободным электронам – они хаотически перемещаются по кристаллу, а их упорядоченное смещение называют «р-проводимостью». (р – первая буква от слова «positivus» - положительный. Этим подчеркивается, что ток создают положительные свободные заряды.

Для получения полупроводников с электронной проводимостью n-типа в чистый по составу исходный материал вводят примесь, создающую избыточные свободные электроны (рис. 1.2). В качестве такой добавки используют элементы V группы таблицы Менделеева – сурьма, фосфор, мышьяк. При застывании в некоторых узлах кристаллической решетки германия его атомы замещаются атомами примеси. При этом четыре валентных электрона примеси создают систему ковалентных связей с четырьмя валентными электронами германия, а пятый электрон примеси оказывается лишним – свободным. Свободные электроны оставляют в узлах кристаллической решетки неподвижные положительно заряженные ионы, которые создают в кристалле объемный заряд. Примесь, отдающая свободные электроны, называется донорной.

Рисунок 1.2. – Кристаллическая решетка германия с донорной примесью.

 

Проводимость р-типа обеспечивается повышением в основном материале полупроводника концентрации дырок, для чего используются элементы III группы таблицы Менделеева – индий, галлий (рис. 1.3). При этом для создания ковалентной связи между атомами германия и индия одного электрона не хватает. Под воздействием тепла окружающей среды электроны верхнего уровня валентной зоны иных атомов перемещаются к атому примеси, дополняя недостающие связи. Благодаря этому в кристаллической решетке создаются подвижные дырки, а атомы примеси превращаются в негативные ионы, создавая отрицательный объемный заряд в кристалле. Примесь, забирающая электроны и создающая свободные носители заряда - дырки, называется акцепторной.

Рисунок 1.3. – Кристаллическая решетка германия с акцепторной примесью.

 

Преобладающие в полупроводнике носители заряда называются основными, а иные – неосновными.

Лекция 2. Полупроводниковый диод.

 

Узкая зона на границе между слоями полупроводника называется p-n переходом (рис.2.1). Физические процессы, происходящие в p-n переходе, определяют параметры и характеристики полупроводниковых приборов.

Полупроводниковым диодом называется полупроводниковый прибор с одним р-n переходом и двумя электрическими выводами.

Рисунок 2.1. – Образование p-n перехода на границе слоев с p и n проводимостью.

 

При обратном включении (рис. 2.2) к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_вн , причем положительный потенциал к слою с n проводимостью, а отрицательный потенциал к слою с p проводимостью.

Ток, протекающий по цепи, определяется концентрацией неосновных носителей заряда и является незначительным.

Рисунок 2.2. – Обратное включение p-n перехода.

 

При прямом включении (рис 2.3) к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_вн , причем отрицательный потенциал к слою с n проводимостью, а положительный потенциал к слою с p проводимостью.

Рисунок 2.3. – Прямое включение p-n перехода.

 

Протекающий по цепи ток определяется диффузионной составляющей и зависит от концентрации основных подвижных носителей заряда и является значительным.

Обозначение полупроводникового диода на принципиальной схеме представлено на рис. 2.4.

Рисунок 2.4. Обозначение полупроводникового диода на принципиальных схемах.

 

Электрод, к которому прикладывается положительный потенциал и при этом по цепи протекает электрический ток, называется анодом, а электрод, к которому прикладывается положительный потенциал и при этом по цепи протекает электрический ток, называется катодом.