Полупроводники. Полупроводниковые приборы

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.

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЕ ПРИБО́РЫ

ПОЛУПРОВОДНИКО́ВЫЕ ПРИБО́РЫ, элек­трон­ные при­бо­ры, дей­ст­вие ко­то­рых ос­но­ва­но на элек­трон­ных про­цес­сах в по­лу­про­вод­ни­ках. В элек­тро­ни­ке П. п. ис­поль­зу­ют­ся в уст­рой­ст­вах для об­ра­бот­ки элек­трич. сиг­на­лов, а так­же для пре­об­ра­зо­ва­ния од­них ви­дов энер­гии в дру­гие. П. п. раз­де­ля­ют на два боль­ших клас­са: дис­крет­ные П. п., кон­ст­рук­тив­но оформ­лен­ные в ви­де отд. са­мо­сто­ят. уст­ройств, и ин­те­граль­ные П. п. – ак­тив­ные эле­мен­ты ин­те­граль­ных схем (пре­им. по­ле­вые тран­зи­сто­ры со струк­ту­рой ме­талл–ок­сид–по­лу­про­вод­ник, или МОП-тран­зи­сто­ры, и би­по­ляр­ные тран­зи­сто­ры).

Дис­крет­ные П. п. раз­ли­ча­ют по на­зна­че­нию, прин­ци­пу дей­ст­вия, ти­пу осн. ПП ма­те­риа­ла, кон­ст­рук­ции и тех­но­ло­гии, ви­ду ха­рак­те­ри­стик, об­лас­тям при­ме­не­ния. К осн. клас­сам та­ких П. п. от­но­сят: элек­тро­пре­об­ра­зо­ва­тель­ные при­бо­ры, слу­жа­щие для пре­об­ра­зо­ва­ния элек­трич. сиг­на­лов (по­лу­про­вод­ни­ко­вые дио­ды, в т. ч. ва­ри­ка­пы, ста­би­ли­тро­ны, Шотт­ки дио­ды; тран­зи­сто­ры, ти­ри­сто­ры и др.); оп­то­элек­трон­ные при­бо­ры, пре­об­ра­зую­щие све­то­вые сиг­на­лы в элек­три­че­ские и на­обо­рот (фо­то­ре­зи­сто­ры, фо­то­дио­ды, фо­то­тран­зи­сто­ры, фо­то­ти­ри­сто­ры, сол­неч­ные эле­мен­ты, по­лу­про­вод­ни­ко­вые ла­зе­ры, све­то­из­лу­чаю­щие дио­ды, при­бо­ры с за­ря­до­вой свя­зью); по­лу­про­вод­ни­ко­вые СВЧ-при­бо­ры (Ган­на дио­ды, тун­нель­ные дио­ды, ла­вин­но-про­лёт­ные дио­ды и др.); по­лу­про­вод­ни­ко­вые де­тек­то­ры ядер­ных из­лу­че­ний; тер­мо­элек­три­че­ские при­бо­ры, пре­об­ра­зую­щие те­п­ло­вую энер­гию в элек­три­че­скую и на­обо­рот (тер­мо­эле­мент, тер­мо­элек­три­че­ский ге­не­ра­тор, тер­мо­ре­зи­стор и т. п.); маг­ни­то­элек­три­че­ские при­бо­ры (напр., Хол­ла пре­об­ра­зо­ва­те­ли); тен­зо­мет­ри­че­ские при­бо­ры, из­ме­няю­щие своё элек­трич. со­про­тив­ле­ние вслед­ст­вие де­фор­ма­ции, вы­зы­вае­мой при­ло­жен­ны­ми к не­му ме­ха­нич. на­пря­же­ния­ми, и др.

В за­ви­си­мо­сти от при­ме­няе­мо­го по­лу­про­вод­ни­ко­во­го ма­те­риа­ла раз­ли­ча­ют гер­ма­ние­вые, крем­ние­вые, ар­се­нид-гал­лие­вые и др. при­бо­ры.

По кон­ст­рук­тив­ным и тех­но­ло­гич. при­зна­кам П. п. раз­де­ля­ют на то­чеч­ные и пло­ско­ст­ные; по­след­ние, в свою оче­редь, де­лят на сплав­ные, диф­фу­зи­он­ные, ме­за­пла­нар­ные, пла­нар­ные, эпи­пла­нар­ные и т. п. В ос­но­ве тех­но­ло­гии боль­шей час­ти П. п. ле­жат та­кие осн. про­цес­сы, как за­щи­та по­верх­но­сти ПП тон­кой плён­кой ди­элек­три­ка, фо­то­ли­то­гра­фия, диф­фу­зия при­ме­сей и ион­ное ле­ги­ро­ва­ние, на­не­се­ние тон­ких плё­нок. П. п. вы­пус­ка­ют в ме­тал­ло­ке­ра­мич. или пла­ст­мас­со­вых кор­пу­сах, за­щи­щаю­щих при­бо­ры от внеш­них воз­дей­ст­вий (ис­клю­че­ние со­став­ля­ют бес­кор­пус­ные ПП при­бо­ры).

Ма­лые га­ба­рит­ные раз­ме­ры, мас­са и по­треб­ляе­мая мощ­ность, вы­со­кая на­дёж­ность и ме­ха­нич. проч­ность спо­соб­ст­во­ва­ли рас­про­стра­не­нию П. п. и бы­ст­ро­му раз­ви­тию по­лу­про­вод­ни­ко­вой элек­тро­ни­ки. К нач. 2010-х гг. но­менк­ла­ту­ра П. п., вы­пус­кае­мых пром-стью во всех стра­нах ми­ра, на­счи­ты­ва­ла св. 100 тыс. ти­пов при­бо­ров разл. на­зна­че­ния, ра­бо­таю­щих как на са­мых низ­ких час­то­тах (по­ряд­ка до­лей Гц), так и в мил­ли­мет­ро­вом диа­па­зо­не (до не­сколь­ких ТГц и бо­лее), в диа­па­зо­не ра­бо­чих мощ­но­стей от мкВт до не­сколь­ких кВт.

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.

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.

Полупроводники. Полупроводниковые приборы

Латуни Читать далее: Полупроводниковые диоды

2. Полупроводники. Полупроводниковые приборы

2.1. Общие сведения

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Полупроводники одновременно являются плохими проводниками и плохими диэлектриками. Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах ведут себя как диэлектрики. В металлах концентрация электронов практически не зависит от температуры, а в полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или при поглощении энергии от другого источника.

Типичными полупроводниками являются углерод (C), германий (Ge) и кремний (Si). Германий – это хрупкий серовато-белый элемент, открытый в 1886 году. Источником порошкообразной двуокиси германия, из которой получают твердый чистый германий, являются золы некоторых сортов угля.

Кремний был открыт в 1823 году. Он широко распространен в земной коре в виде кремнезема (двуокиси кремния), силикатов и алюмосиликатов. Двуокисью кремния богаты песок, кварц, агат и кремень. Из двуокиси кремния химическим путем получают чистый кремний. Кремний является наиболее широко используемым полупроводниковым материалом.

Рассмотрим подробнее образование электронов проводимости в полупроводниках на примере кремния. Атом кремния имеет порядковый номер Z=14 в периодической системе Д. И. Менделеева. Поэтому в состав его атома входят 14 электронов. Однако только 4 из них находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными и обуславливают четыре валентности кремния. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью так называемой ковалентной связи (рис. 2.1). При ковалентной связи валентные электроны совместно используются различными атомами, что приводит к образованию кристалла.

При повышении температуры кристалла тепловые колебания решетки приводят к разрыву некоторых валентных связей. В результате этого часть электронов, ранее участвовавших в образовании валентных связей, отщепляется и становится электронами проводимости. При наличии электрического поля они перемещаются против поля и образуют электрический ток.

Рис. 2.1

Однако, при освобождении электрона в кристаллической решетке образуется незаполненная межатомная связь. Такие «пустые» места с отсутствующими электронами связи получили название «дырок». Возникновение дырок в кристалле полупроводника создает дополнительную возможность для переноса заряда. Действительно, дырка может быть заполнена электроном, перешедшим под действием тепловых колебаний от соседнего атома. В результате на этом месте будет восстановлена нормальная связь, но зато в другом месте появится дырка. В эту новую дырку в свою очередь может перейти какой-либо из других электронов связи и т.д. Последовательное заполнение свободной связи электронами эквивалентно движению дырки в направлении, противоположном движению электронов. Таким образом, если при наличии электрического поля электроны перемещаются против поля, то дырки будут двигаться в направлении поля, т.е. так, как двигались бы положительные заряды. Следовательно, в полупроводнике имеются два типа носителей тока – электроны и дырки, а общая проводимость полупроводника является суммой электронной проводимости (n-типа, от слова negative) и дырочной проводимости (p-типа, от слова positive).

Наряду с переходами электронов из связанного состояния в свободное существуют обратные переходы, при которых электрон проводимости улавливается на одно из вакантных мест электронов связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В состоянии равновесия устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках называется собственной проводимостью. Собственная проводимость быстро возрастает с повышением температуры, и в этом существенное отличие полупроводников от металлов, у которых с повышением температуры проводимость уменьшается. Все полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления.

Чистые полупроводники являются объектом, главным образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления примесей в чистые материалы. Без этих примесей не было бы большинства полупроводниковых приборов.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как германий и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэтому могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется легирование.

Легирование – это добавление примесей в полупроводниковые материалы. Используются два типа примесей. Примеси первого типа – пятивалентные – состоят их атомов с пятью валентными электронами, например, мышьяк и сурьма. Примеси второго типа – трехвалентные – состоят из атомов с тремя валентными электронами, например, индий и галлий.

Рис. 2.2

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 2.2). Атом мышьяка вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным. Атом мышьяка называется донорским, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится достаточное количество донорских атомов, а следовательно и свободных электронов, для поддержания тока.

При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Поэтому электроны называют основными носителями. Дырки называют неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n-типа.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис. 2.3). Это создаст в ковалентной связи дырку.

Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными.

Рис. 2.3

При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником p-типа.

Полупроводниковые материалы n- и p-типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.

Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется p-n переходом и обладает очень важным свойством – его сопротивление зависит от направления тока. Отметим, что такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника. p-n переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости. Методы получения p-n переходов описаны ниже.

Итак, в куске монокристаллического полупроводника на границе между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется p-n переход. На ней имеет место значительный перепад концентраций носителей зарядов. Концентрация электронов в n-области во много раз больше их концентрации в p-области. Вследствие этого электроны диффундируют в область их низкой концентрации (в p-область). Здесь они рекомбинируют с дырками и таким путем создают пространственный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора, не скомпенсированный положительным зарядом дырок.

Одновременно происходит диффузия дырок в n-область. Здесь создается не скомпенсированный зарядом электронов пространственный положительный заряд ионов донора. Таким образом, на границе создается двойной слой пространственного заряда (рис. 2.4), обедненный основными носителями тока. В этом слое возникает контактное электрическое поле Eк, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую.

Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне. Но и в этом случае под действием тепла небольшая часть электронов и дырок будет продолжать проходить через потенциальный барьер, обусловленный пространственными зарядами, создавая ток диффузии. Однако одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда p- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.

Если к p-n переходу подключить внешний источник тока, то напряжение указанной на рис. 2.5 обратной полярности приведет к появлению внешнего поля E, совпадающего по направлению с контактным полем Eк. В результате ширина двойного слоя увеличится, и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей (обратный ток Iобр).

Рис. 2.4

Рис. 2.5

Рис. 2.6

При включении напряжения прямой полярности направление внешнего поля противоположно направлению контактного поля (рис. 2.6). Ширина двойного слоя уменьшится, и в цепи возникнет большой прямой ток Iпр. Таким образом, p-n переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Это выражает его вольтамперная характеристика (рис. 2.7).

Рис. 2.7

Когда к p-n переходу приложено прямое напряжение, то ток быстро возрастает с ростом напряжения. Когда же к p-n переходу приложено обратное напряжение, ток очень мал, быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного значения обратного напряжения Uобр, после чего резко возрастает. Это так называемое напряжение пробоя, при котором наступает пробой p-n перехода и он разрушается. Следует отметить, что на рисунке 2.7 масштаб обратного тока в тысячу раз меньше масштаба прямого тока.

Латуни Читать далее: Полупроводниковые диоды

Информация о работе «Проводники, полупроводники и диэлектрики»

Раздел: Физика Количество знаков с пробелами: 57947 Количество таблиц: 2 Количество изображений: 9

Похожие работы

Квантовый выход светочувствительных структур полупроводник-металл-диэлектрик

29489

0

6

… , отсутствием необходимости определения толщины и удельного сопротивления металлического слоя, уменьшением числа операций обработки результатов. Формула изобретения Способ определения к.п.д. светочувствительных систем полупроводник-металл, включающий последовательное нанесение напылением на диэлектрическую подложку через трафарет слоя металла (в виде змейки) толщиной 200 нм, слоя дийодида …

Кристаллы в природе

169673

2

43

… надо иметь в виду возможность структурных особенностей времени для каждого такого вида. II Силы взаимодействия и строение кристаллов2.1.Природа сил связи в кристаллах. Различные типы кристаллов и возможное расположение узлов (точка, относительно которой атом (молекула) совершает колебания) в пространственной решётке …

Электротехнические материалы

26450

0

4

… видам обработки при изготовлении из них необходимых изделий. Поэтому для различных случаев применения приходится выбирать и разные материалы. Электроизоляционные материалы образуют наиболее многочис­ленный раздел электротехнических материалов вообще; количество отдельных видов конкретных электроизоляционных материалов, применяемых в современной электропромышленности, исчисляется многими тысячами …

Лекции по твердотельной электронике

193480

0

0

… соответствующих компьютерных программ. Аналогично для n типа n>>p Для p соответственно будут иметь место следующие уравнения: (1.69)Воронков Э.Н. Твердотельная электроника. 2002г. Содержание Лекция 6 67 2. ДИОДЫ. 67 2.1. Полупроводниковые диоды с электронно-дырочным переходом (pn — переходом). 67 2.2. Электронно-дырочный переход (pn – переход). Возникновение …

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.

Физические основы

Раз­ви­тие П. э. ста­ло воз­мож­ным бла­го­да­ря фун­дам. дос­ти­же­ни­ям в об­лас­ти кван­то­вой тео­рии твёр­до­го те­ла и фи­зи­ки ПП. В ос­но­ве ра­бо­ты ПП элек­трон­ных при­бо­ров и уст­ройств ле­жат сле­дую­щие важ­ней­шие свой­ст­ва по­лу­про­вод­ни­ков и элек­трон­ные про­цес­сы в них: од­но­вре­мен­ное су­ще­ст­во­ва­ние двух ти­пов под­виж­ных но­си­те­лей за­ря­да (от­ри­ца­тель­ных – элек­тро­нов про­во­ди­мо­сти и по­ло­жи­тель­ных – ды­рок), обу­слов­ли­ваю­щих два ти­па элек­тро­про­вод­но­сти – элек­трон­ную и ды­роч­ную; силь­ная за­ви­си­мость ве­ли­чи­ны и ти­па элек­тро­про­вод­но­сти от кон­цен­тра­ции и ти­па ато­мов при­ме­си; вы­со­кая чув­ст­ви­тель­ность свойств ПП к воз­дей­ст­вию све­та, те­п­ла, элек­трич. и маг­нит­ных по­лей, ме­ха­нич. на­пря­же­ний (см., напр., Тер­мо­элек­три­че­ские яв­ле­ния, Хол­ла эф­фект); воз­ник­но­ве­ние на гра­ни­це об­лас­тей ПП с разл. ти­па­ми элек­тро­про­вод­но­сти или в кон­так­те ме­талл – по­лу­про­вод­ник со­от­вет­ст­вен­но элек­трон­но-ды­роч­но­го пе­ре­хо­да (см. p–n-Пе­ре­ход) или барь­е­ра Шотт­ки, об­ла­даю­щих прак­ти­че­ски од­но­сто­рон­ней про­во­ди­мо­стью; спо­соб­ность p–n-пе­ре­хо­дов к ин­жек­ции но­си­те­лей за­ря­да из об­лас­ти, где они яв­ля­ют­ся ос­нов­ны­ми, в об­ласть, в ко­то­рой они не­ос­нов­ные, при вклю­че­нии на­пря­же­ния в на­прав­ле­нии про­пус­ка­ния то­ка че­рез пе­ре­ход; тун­нель­ный пе­ре­ход но­си­те­лей сквозь по­тен­ци­аль­ный барь­ер, ла­вин­ное ум­но­же­ние но­си­те­лей за­ря­да в силь­ных элек­трич. по­лях, пе­ре­ход но­си­те­лей из од­ной до­ли­ны энер­ге­тич. зо­ны в дру­гую с из­ме­не­ни­ем их эф­фек­тив­ных масс и под­виж­но­сти, ле­жа­щий в ос­но­ве Ган­на эф­фек­та, и др.

Ре­шаю­щее зна­че­ние для П. э. име­ет тран­зи­стор­ный эф­фект (эф­фект управ­ле­ния то­ком за­пер­то­го пе­ре­хо­да с по­мо­щью то­ка от­пер­то­го пе­ре­хо­да), а так­же эф­фект мо­ду­ля­ции по­лем про­во­ди­мо­сти тон­ко­го слоя по­лу­про­вод­ни­ка (ка­на­ла). Имен­но на ос­но­ве этих эф­фек­тов ра­бо­та­ют би­по­ляр­ные и по­ле­вые тран­зи­сто­ры, ко­то­рые оп­ре­де­ли­ли ко­рен­ные из­ме­не­ния в ра­дио­элек­трон­ной и др. ап­па­ра­ту­ре и обес­пе­чи­ли ши­ро­кое при­ме­не­ние сис­тем ав­то­ма­тич. управ­ле­ния в тех­ни­ке.

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.

Характеристики вещества

Полупроводники можно разделить на следующие подгруппы:

• Электронные (вида n),
• Дырочные (вида p).

Важно! В веществах вида n в роли носителей можно рассматривать электроны, которые, при возникновении тока, передвигаются по всему полупроводнику в хаотичном порядке.

Как выглядят полупроводниковые приборы

В дырочном виде p в роли носителей зарядов рассматриваются так называемые отверстия (под ними понимается свободное пространство между атомами, на место которого может стать другой электрон). Дырки считаются равносильными положительному заряду. При возникновении тока внутри проводника вида p, электроны выполняют только направленные скачки между ближайшими атомами.

Важно! При перескоке заряда из одного отверстия в другое, дырка передвигается в противоположном направлении, что влечёт за собой образование тока.

Вам это будет интересно Особенности мегаваттов и киловаттов

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.