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.
Общие понятия.
Почему именно полупроводниковый
диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют
полупроводники
– вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.
Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний
(Si) и
Германий
(Ge).
По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.
Свойства полупроводников.
Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой
температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники
не проводят
электрический ток, а с
повышением
температуры, их сопротивляемость току
уменьшается
.
Если на полупроводник навести свет
, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы
фотоэлектрические
приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники
примесей
определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.
Строение атомов полупроводников.
Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона
.
Атом германия
состоит из 32 электронов, а атом
кремния
из 14. Но только
28
электронов атома германия и
10
электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только
четыре
валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится
положительным ионом
.
В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя
такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.
Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы. На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов
(положительные ионы), а синие шарики – это
валентные электроны
.
Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре
точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним
двумя
валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или
ковалентной
.
В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь
электронов:
четыре
своих, и по
одному
, заимствованных от четырех
соседних
атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую
молекулу
. На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.
Симметричная ВАХ
Когда происходит смена полярности напряжения, в полупроводнике ток начинает протекать в обратном направлении. И меняется он по тому же закону. Это говорит о том, что полупроводниковый элемент обладает симметричной вольт-амперной характеристикой. В том случае, если одна часть элемента имеет дырочный тип, а вторая – электронный, то на границе их соприкосновения появляется p-n-переход (электронно-дырочный). Именно такие переходы имеются во всех элементах – транзисторах, диодах, микросхемах. Но только в микросхемах на одном кристалле собирается сразу несколько транзисторов – иногда их количество более десятка.
Электропроводность полупроводника.
Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит
ток, так как в нем нет
свободных электронов
. Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов
ослабевает
и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «
свободным
», а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют
дыркой
.
Чем выше
температура полупроводника, тем
больше
в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится
положительным
электрическим зарядом равным
отрицательному
заряду электрона.
А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике
.
Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток. Вследствие тепловых явлений
, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет
освобождаться
некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь
положительным
полюсом источника напряжения, будут
перемещаться
в его сторону, оставляя после себя
дырки
, которые будут заполняться другими
освободившимися электронами
. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают
электрический ток
.
Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается
этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон
оставляет
после себя
дырку
. Другой освободившийся электрон, который находится на некотором
удалении
от положительного полюса, также
притягивается
полюсом и
движется
в его сторону, но
встретив
на своем пути дырку, притягивается в нее
ядром
атома, восстанавливая межатомную связь.
Образовавшуюся новую
дырку после второго электрона,
заполняет
третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь
дырки
, находящиеся ближе всего к
отрицательному
полюсу, заполняются другими
освободившимися электронами
(рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.
Пока в полупроводнике действует электрическое поле
, этот процесс
непрерывен
: нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).
Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному
.
p — n Переход .
p-n-Переход — это простейшая полупроводниковая структура, которая используется в большинстве полупроводниковых приборов. Для получения p-n-перехода полупроводниковый образец легируют (вводят в него примеси) таким образом, чтобы в одной его части преобладали донорные примеси, а в другой — акцепторные, в результате получают контакт полупроводника n-типа с полупроводником p-типа.
Основным свойством p-n-перехода является его способность пропускать ток только в одном направлении, если напряжение приложено к образцу так, что проводимость осуществляется основными носителями тока, как это показано на рисунке выше: «-» со стороны полупроводника n-типа, «+» — со стороны p-типа (электроны из n-области переходят в p-область, и наоборот).
Если теперь поменять полярность приложенного напряжения U, то ток через p-n-переход практически не идет, т. к. переход через контакт осуществляется неосновными носителями, которых мало. Вольт-амперная характеристика р-n-перехода изображена на рисунке ниже.
Электронно-дырочная проводимость.
В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся
в данный момент электронов равно числу
образующихся
при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника
мала
, так как он оказывает электрическому току
большое
сопротивление, и такую электропроводность называют
собственной
.
Но если в полупроводник добавить в виде примеси
некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от
структуры
атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет
электронной
или
дырочной
.
Электронная проводимость.
Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять
валентных электронов. Этот атом своими
четырьмя
электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а
пятый
валентный электрон останется «
лишним
» – то есть свободным. И чем
больше
будет таких атомов в кристалле, тем
больше
окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем
не обязательно должны разрушаться межатомные связи
.
Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n
», или полупроводники
n
-типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике
n
-типа
основными
носителями заряда являются –
электроны
, а не основными – дырки.
Энергетический зазор
Валентные орбитали атомов в кристаллической решётке разделены на две группы энергетических уровней – свободную зону, расположенную на высшем уровне и определяющую электропроводность полупроводников, и валентную зону, расположенную ниже. Эти уровни, в зависимости от симметрии решётки кристалла и состава атомов, могут пересекаться или располагаться на расстоянии друг от друга. В последнем случае между зонами возникает энергетический разрыв или, другими словами, запрещённая зона.
Расположение и заполнение уровней определяет электропроводные свойства вещества. По этому признаку вещества делят на проводники, изоляторы и полупроводники. Ширина запрещённой зоны полупроводника варьируется в пределах 0,01–3 эВ, энергетический зазор диэлектрика превышает 3 эВ. Металлы из-за перекрытия уровней энергетических разрывов не имеют.
Полупроводники и диэлектрики, в противовес металлам, имеют заполненную электронами валентную зону, а ближайшая свободная зона, или зона проводимости, отгорожена от валентной энергетическим разрывом – участком запрещённых энергий электронов.
В диэлектриках тепловой энергии либо незначительного электрического поля недостаточно для совершения скачка через этот промежуток, электроны в зону проводимости не попадают. Они не способны передвигаться по кристаллической решётке и становиться переносчиками электрического тока.
Чтобы возбудить электропроводимость, электрону на валентном уровне нужно придать энергию, которой бы хватило для преодоления энергетического разрыва. Лишь при поглощении количества энергии, не меньшего, чем величина энергетического зазора, электрон перейдёт из валентного уровня на уровень проводимости.
В том случае, если ширина энергетического разрыва превышает 4 эВ, возбуждение проводимости полупроводника облучением либо нагреванием практически невозможно – энергия возбуждения электронов при температуре плавления оказывается недостаточной для прыжка через зону энергетического разрыва. При нагреве кристалл расплавится до возникновения электронной проводимости. К таким веществам относится кварц (dE = 5,2 эВ), алмаз (dE = 5,1 эВ), многие соли.
