Учебное пособие: Основи електроніки
Учебное пособие: 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.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6 |
