Здравствуйте уважаемые читатели сайта . На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).
Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник. Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.
Полупроводниковые материалы.
Также по теме:
ЭЛЕКТРОННАЯ ПРОМЫШЛЕННОСТЬ
Полупроводник – это материал, который проводит электричество лучше, чем такой диэлектрик, как каучук, но не так хорошо, как хороший проводник, например медь. В отличие от металлов, электропроводность полупроводников с повышением температуры возрастает. К наилучшим полупроводниковым материалам относятся кремний (Si) и германий (Ge); в числе других можно назвать соединения галлия (Ga), мышьяка (As), фосфора (P) и индия (In). Кремний находит широкое применение в транзисторах, выпрямителях и интегральных схемах. Арсенид галлия (GaAs) обычно используют в СВЧ и оптоэлектронных приборах, а также в интегральных схемах. См. также
ПЕРИОДИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ЭЛЕМЕНТОВ; ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ФИЗИКА ТВЕРДОГО ТЕЛА; ТРАНЗИСТОР.
Полупроводник представляет собой, по существу, диэлектрик, пока в него не введено малое и тщательно дозированное количество некоторого подходящего материала. Например, такой материал, как фосфор, делает кремний проводящим, добавляя в него избыточные электроны (т.е. действуя как «донор»). Кремний, легированный подобным образом, становится кремнием n
-типа. Легирование таким материалом, как бор, превращает кремний в материал
p
-типа: бор (акцептор) отбирает у кремния часть электронов, создавая в нем «дырки», которые могут заполняться электронами расположенных поблизости атомов и повышать тем самым проводимость легируемого материала. (Потоки электронов в одном направлении и дырок в противоположном образуют ток.) Электроны и дырки, обеспечивающие таким образом проводимость, называются носителями заряда.
Кристаллическая структура полупроводников
Атомы германия и кремния в периодической таблице находятся в одной группе с углеродом (химическая формула алмаза C,- это просто большие кристаллы углерода, полученные при определенных условиях), и поэтому при объединении образуют алмазоподобную кристаллическую структуру. Образование подобной структуры показано, в упрощенном, конечно, виде на рис. 4.
Кристаллическая структура полупроводников (рис. 4)
В центре куба находится атом германия, а по углам расположены еще 4 атома. Атом, изображенный в центре куба, своими валентными электронами связан с ближайшими соседями. В свою очередь угловые атомы отдают свои валентные электроны атому, расположенному в центре куба и соседям, – атомам на рисунке не показанным. Таким образом, внешние орбиты дополняются до восьми электронов. Конечно, никакого куба в кристаллической решетке нет, просто он показан на рисунке, чтобы было понятно взаимное, объемное расположение атомов.
Но для того, чтобы максимально упростить рассказ о полупроводниках, кристаллическую решетку можно изобразить в виде плоского схематического рисунка, несмотря на то, что межатомные связи все-таки расположены в пространстве. Такая схема показана на рис. 5.
Кристаллическая решетка германия в плоском виде (рис. 5)
В таком кристалле все электроны крепко привязаны к атомам своими валентными связями, поэтому свободных электронов здесь, видимо, просто нет. Выходит, что перед нами на рисунке изолятор, поскольку нет в нем свободных электронов. Но, на самом деле это не так.
p-n-Переходы.
Твердотельные электронные приборы представляют собой, как правило, многослойную структуру (сэндвич), одна часть которой выполнена из полупроводника p
-типа, а другая – из полупроводника
n
-типа. Пограничная область между материалами
p
-типа и
n
-типа называется
p-n-
переходом. Переход образуется положительно заряженными атомами донорной примеси с
n
-стороны и отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси с
p
-стороны. Электрическое поле, создаваемое этими ионами, предотвращает диффузию электронов в
p
-область и дырок в
n
-область (рис. 1).
Если p
-область
p-n
-перехода соединить с положительным выводом какого-либо источника напряжения (например, батареи), а
n
-область – с отрицательным выводом, то электроны и дырки смогут диффундировать через переход. В результате из
p
-области в направлении
n
-области потечет существенный ток. В таком случае говорят, что переход смещен в прямом направлении. При обратном смещении, когда описанные выше подсоединения имеют противоположную полярность, от области
n
-типа к области
p
-типа потечет лишь предельно малый обратный ток.
Ковалентная связь
Металлическая связь, как вы помните, обеспечивается газом свободных электронов, который, подобно клею, удерживает положительные ионы в узлах кристаллической решётки. Полупроводники устроены иначе — их атомы скрепляет ковалентная связь
. Давайте вспомним, что это такое.
Электроны, находящиеся на внешнем электронном уровне и называемые валентными
, слабее связаны с атомом, чем остальные электроны, которые расположены ближе к ядру. В процессе образования ковалентной связи два атома вносят «в общее дело» по одному своему валентному электрону. Эти два электрона обобществляются, то есть теперь принадлежат уже обоим атомам, и потому называются
общей электронной парой
(рис. 2).
Рис. 2. Ковалентная связь
Обобществлённая пара электронов как раз и удерживает атомы друг около друга (с помощью сил электрического притяжения). Ковалентная связь — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар
. По этой причине ковалентная связь называется также
парноэлектронной
.
Диоды с p-n-переходом.
Диоды – это устройства, которые проводят электрический ток только в одном направлении. Следовательно, p-n
-переходы идеально подходят для их использования в диодных выпрямителях, преобразующих переменный ток в постоянный.
Когда напряжение обратного смещения на диоде с p-n
-переходом увеличивается до критического значения, называемого напряжением пробоя, электрическое поле в области перехода создает электроны и дырки в результате соударений носителей заряда, обладающих высокой энергией, с атомами полупроводников. В ходе этого процесса, называемого ионизацией, образуется «лавина» новых носителей, вследствие чего обратный ток при напряжении пробоя существенно возрастает.
Диодные выпрямители обычно работают при обратных напряжениях ниже напряжения пробоя. Однако резкое и значительное нарастание обратного тока, происходящее при достижении напряжения пробоя, можно использовать для стабилизации напряжения или для фиксации опорного уровня напряжения. Диоды, предназначенные для таких применений, называются полупроводниковыми стабилитронами. См. также
ЭЛЕКТРОННЫЕ СХЕМЫ.
Емкость, зависящая от приложенного напряжения, соответствует обратно смещенному p-n
-переходу. Такую управляемую напряжением емкость можно применять, например, в настраиваемых контурах. Диоды, в которых используются такие переходы, называют варикапами.
Резкие p-n
-переходы, имеющие очень малую толщину и сильно легированные с обеих сторон, находят применение в туннельных диодах, т.е. диодах, в которых электроны могут «туннелировать» сквозь переход. Туннелирование – это квантовомеханический процесс, позволяющий некоторым электронам проходить сквозь потенциальный барьер. Как при обратном, так и при прямом смещении туннельный диод пропускает ток при очень низком напряжении. Но при некотором критическом значении напряжения прямого смещения эффект туннелирования уменьшается, и, в конечном счете, преобладающим становится прямой ток от
p
-области к
n
-области. Ток, обусловленный туннелированием, продолжает уменьшаться, пока напряжение повышается от критического уровня до некоторого более высокого значения. В этом диапазоне напряжений, где происходит уменьшение туннелирования, возникает отрицательное сопротивление, которое можно использовать в различных типах переключателей, автогенераторов, усилителей и других электронных устройств.
p-n
-Переход может также находить применение в качестве фотодиода или солнечного элемента (фотоэлектрического перехода). Когда свет, который состоит из фотонов, освещает
p-n
-переход, атомы полупроводника поглощают фотоны, в результате чего образуются дополнительные пары электронов и дырок. Поскольку эти дополнительные носители собираются в области перехода, от
n
-области в
p
-область течет избыточный ток. Величина этого обратного тока пропорциональна скорости, с которой генерируются дополнительные носители, а эта скорость, в свою очередь, зависит от интенсивности падающего света.
В фотодиодах этот обратный ток при фиксированном напряжении обратного смещения зависит от интенсивности освещения. Поэтому фотодиоды часто используют в фотометрах и системах распознавания символов.
Полученную от p-n
-перехода энергию солнечные элементы передают в подключенную к ним внешнюю нагрузку. Солнечные элементы, преобразующие солнечный свет в электричество, находят широкое применение в качестве источников электропитания для искусственных спутников Земли и в некоторых применениях на Земле.
См. также
БАТАРЕИ ЭЛЕКТРОПИТАНИЯ.
Во многих полупроводниковых материалах, таких, как арсенид галлия (GaAs), фосфид галлия (GaP) и фосфид индия (InP), электроны и дырки рекомбинируют друг с другом в области p-n
-перехода, смещенного в прямом направлении, излучая свет. Длина волны излучения зависит от используемого материала; обычно спектр излучения находится в пределах от инфракрасного (как в случае GaAs) до зеленого (как для GaP) участков. При надлежащем выборе материалов можно изготовить такие светоизлучающие диоды (СИД), которые будут давать излучение практически любого цвета (длины волны). Такие светодиоды применяют в цифровых наручных часах и в индикаторах электронных калькуляторов. Инфракрасные светодиоды могут использоваться в оптических системах связи, в которых световые сигналы, посылаемые по волоконно-оптическим кабелям, детектируются фотодиодами. Оптоэлектронные системы такого рода могут быть весьма эффективными, если используются светодиоды лазерного типа, а фотоприемники работают в лавинном режиме с обратным смещением.
См. также
ВОЛОКОННАЯ ОПТИКА; ЛАЗЕР.
Логические элементы
Логические элементы обычно строят на базе электронных устройств, работающих в ключевом режиме. Цифровую информацию обычно представляют в двоичной форме, в которой сигналы принимают только два значения: «0» (логический нуль) и «1» (логическая единица), соответствующие двум состояниям ключа.
В современной электронике процесс миниатюризации электронных устройств, повышение их сложности и надежности осуществляется посредством применения полупроводниковых интегральных микросхем
.
В отличие от гибридных интегральных микросхем
, которые состоят из различных элементов – тонкопленочных резисторов, конденсаторов, транзисторов – полупроводниковые интегральные микросхемы состоят обычно из отдельных областей кристалла, каждая из которых выполняет функцию транзистора, диода, резистора или конденсатора. Полупроводниковые интегральные микросхемы помещают в металлический или пластмассовый корпус.
Транзисторы.
p-n
-Переходы используются также в транзисторах и более сложных транзисторных структурах – интегральных схемах.
В биполярном транзисторе носителями заряда служат как электроны, так и дырки. В нем имеются два близко расположенных и включенных навстречу друг другу перехода, которые образуют тем самым три отдельных слоя p-n-p
— либо
n-p-n
-структуры. В
p-n-p
-транзисторе
p
-область, служащая слоем ввода, называется эмиттером; центральная
n
-область является базой;
p
-область, служащая выводом, называется коллектором. В
n-p-n
-транзисторе
p
— и
n
-области меняются местами. В
p-n-p
-транзисторе дырки инжектируются через эмиттерный переход, смещенный в прямом направлении, и собираются на коллекторном переходе, смещенном в обратном направлении; в
n-p-n
-приборе то же самое происходит с электронами. Количество инжектируемых и собираемых носителей заряда можно менять путем изменения малого тока, подаваемого в область базы.
Полевой транзистор представляет собой униполярный прибор; это означает, что только основной тип носителей заряда – либо электроны в областях с проводимостью n
-типа, либо дырки в областях с проводимостью
p
-типа – проходят через проводящий канал прибора. Ток в канале изменяется посредством электрического поля, создаваемого напряжением, приложенным к переходу (с обратным смещением) или к изолирующему слою на поверхности прибора.
Биполярный транзистор – это, по существу, прибор, управляемый током, а полевой транзистор – прибор, управляемый напряжением. Оба типа транзисторов широко применяются в схемах микроэлектроники. См. также
ИНТЕГРАЛЬНАЯ СХЕМА; ТРАНЗИСТОР.
Собственная плотность
При термодинамическом равновесии, концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
n¯=2h3(2πmkT)32e−EC−EFkT{\displaystyle {\bar {n}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{C}-E_{F}}{kT}}}}
где:
h{\displaystyle h} — Постоянная Планка; m{\displaystyle m} — масса электрона; T{\displaystyle T} — абсолютная температура; EC{\displaystyle E_{C}} — уровень зоны проводимости; EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми.
Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
p¯=2h3(2πmkT)32e−EF−EVkT{\displaystyle {\bar {p}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{F}-E_{V}}{kT}}}}
где:
h{\displaystyle h} — Постоянная Планка. m{\displaystyle m} — эффективная масса дырки; T{\displaystyle T} — абсолютная температура; EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми; EV{\displaystyle E_{V}} — уровень валентной зоны.
Собственная концентрация ni{\displaystyle n_{i}} связана с n¯{\displaystyle {\bar {n}}} и p¯{\displaystyle {\bar {p}}} следующим соотношением:
n¯p¯=ni2{\displaystyle {\bar {n}}{\bar {p}}=n_{i}^{2}}
p-n-p-n-Приборы.
На рис. 2 представлена четырехслойная структура, называемая триодным тиристором (SCR). Это наиболее важный тип приборов со структурой p-n-p-n
. Другие приборы с этой структурой – двухвыводной и двусторонний диоды.
Тиристор представляет собой эффективный переключатель, позволяющий работать со значительными уровнями мощностей. При прямом напряжении на тиристоре переход B
имеет смещение в обратном направлении, так что тока через него практически нет. Но когда напряжение смещения в прямом направлении увеличивается до некоторого критического уровня, на переходе
B
развивается лавинный процесс. Носители заряда инжектируются затем в средние области
N
и
P
, вызывая диффузию дырок на переходе
Ap-n-p
-структуры и диффузию электронов на переходе
Cn-p-n
-структуры. В результате ток увеличивается, и падение напряжения на приборе становится малым. Этот процесс можно инициировать при меньшем прямом смещении, инжектируя небольшой ток в одну из точек слоя
p
управляющего электрода. Отсюда следует, что SCR может служить почти идеальным переключателем, в котором практически не протекает ток в закрытом состоянии, но в открытом состоянии течет значительный ток при низком напряжении. Приборы SCR широко используются в схемах управления электродвигателями и печами, в регуляторах освещения и других применениях.
Валентность атомов
Атомы, у которых на внешней орбите содержится 6 или 7 электронов, стремятся присоединить к себе 1 или 2 электрона. Про такие атомы говорят, что они одно или двухвалентны. А вот если на внешней орбите атома 1, 2 или 3 электрона, то такой атом стремится их отдать. В этом случае атом считается одно, двух или трехвалентным.
Если на внешней орбите атома содержится 4 электрона, то такой атом предпочитает объединиться с таким же, у которого тоже 4 электрона. Именно так объединяются атомы германия и кремния, использующиеся в производстве транзисторов. В этом случае атомы называются четырехвалентными. (Атомы германия или кремния могут объединяться и с другими элементами, например, кислородом или водородом, но эти соединения в плане нашего рассказа неинтересны.)
Атом германия (кремния) (рис. 3)
На рис. 3 показан атом германия или кремния, желающий объединиться с таким же атомом. Маленькие черные кружочки — это собственные электроны атома, а светлые кружки обозначают места, куда попадут электроны четырех атомов – соседей.
Сверхвысокочастотные приборы.
Транзисторы находят широкое применение в СВЧ-технике. К тому же сверхвысокие частоты можно генерировать с помощью полупроводниковых компонентов, имеющих всего два вывода, но обладающих отрицательным сопротивлением, подобно туннельным диодам. К наиболее распространенным СВЧ-приборам такого типа относятся лавинно-пролетные диоды и диоды Ганна.
В лавинно-пролетном диоде при лавинном пробое в обратносмещенном p-n
-переходе возникают избыточные носители в области дрейфа, т.е. в области, где носители заряда движутся под влиянием приложенного напряжения. Если размер области дрейфа выбран правильно, то избыточные носители проходят ее на протяжении отрицательного полупериода напряжения переменного тока. Далее ток увеличивается при уменьшении напряжения. При этом существует своего рода отрицательная проводимость, которую можно использовать в объемном резонаторе для генерации СВЧ-колебаний.
Принцип действия диода Ганна основан на свойстве таких полупроводников, как GaAs и InP, вызывать замедление электронов в материале при некоторой критической напряженности электрического поля. В соответствии с законом Ома ток при слабых полях пропорционален напряженности поля. Однако при очень сильных полях (с напряженностью порядка нескольких тысяч вольт на сантиметр) энергии электронов в GaAs или InP возрастают до величин, при которых свобода движения электронов в полупроводниковом кристалле ограничивается. Вследствие их пониженной подвижности при превышении напряженностью электрического поля некоторого критического уровня электроны еще более замедляются. Как и в лавинно-пролетном диоде, здесь возникает некоторая разновидность отрицательной проводимости, которую можно использовать для генерации СВЧ-колебаний. См. также
СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН.
Собственная плотность
При термодинамическом равновесии, концентрация электронов полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
n¯=2h3(2πmkT)32e−EC−EFkT{\displaystyle {\bar {n}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{C}-E_{F}}{kT}}}}
где:
h{\displaystyle h} — Постоянная Планка; m{\displaystyle m} — масса электрона; T{\displaystyle T} — абсолютная температура; EC{\displaystyle E_{C}} — уровень зоны проводимости; EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми.
Также, концентрация дырок полупроводника связана с температурой следующим соотношением:
p¯=2h3(2πmkT)32e−EF−EVkT{\displaystyle {\bar {p}}={\frac {2}{h^{3}}}(2\pi mkT)^{3/2}e^{-{\frac {E_{F}-E_{V}}{kT}}}}
где:
h{\displaystyle h} — Постоянная Планка. m{\displaystyle m} — эффективная масса дырки; T{\displaystyle T} — абсолютная температура; EF{\displaystyle E_{F}} — уровень Ферми; EV{\displaystyle E_{V}} — уровень валентной зоны.
Собственная концентрация ni{\displaystyle n_{i}} связана с n¯{\displaystyle {\bar {n}}} и p¯{\displaystyle {\bar {p}}} следующим соотношением:
n¯p¯=ni2{\displaystyle {\bar {n}}{\bar {p}}=n_{i}^{2}}
