Полупроводниковые диоды

Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (n-типа), а другой - с дырочной (р-типа, рис. 4, а).

Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике n будет происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго полупроводника р -типа в первый n -типа. В тонком пограничном слое полупроводника n -типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полуводника р -типа - отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электрическое поле с некоторой напряженностью, которая препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим р-n-пере-ходом.

Вследствие теплового движения в электрическое поле р-n-перехода попадают неосновные носители зарядов (электроны из р -области и дырки из n -области). Движение неосновных носителей зарядов под действием сил поля р-n-перехода направлено встречно диффузионному току основных носителей и называется дрейфовым или тепловым током, зависящим в сильной степени от температуры. При отсутствии внешнего электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через р-n-переход равен нулю.

Соединив положительный зажим источника питания с металлическим электродом полупроводника n - типа, а отрицательный зажим с электродом полупроводника р-типа, получим внешнее электрическое поле, направленное согласно с полем р-n-перехода, усиливающее его (рис. 4, б). Такое поле еще больше будет препятствовать прохождению основных носителей зарядов через запирающий слой и через диод пройдет малый обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда. Обратный ток диода в значительной мере зависит от температуры, увеличиваясь с ее повышением.

При изменении полярности источника питания (рис.4, в) внешнее электрическое поле окажется направленным встречно полю р-n-перехода и под действием этого поля электроны и дырки начнут двигаться навстречу друг другу и число основных носителей заряда в переходном слое возрастет, уменьшая потенциальный барьер и сопротивление переходного слоя.

Таким образом, в цепи устанавливается прямой ток, который будет значительным даже при относительно небольшом напряжении источника питания.

Условное обозначение диода .

При небольшом прямом напряжении (1В) на зажимах диода в его цепи проходит относительно большой ток, а при значительных обратных напряжениях ничтожно мал.

Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, т. е. является электрическим вентилем. Промышленность производит электрические вентили германиевые, кремниевые, селеновые и меднозакисные. Германиевые и кремниевые вентили изготовляют двух типов: точечные и плоскостные.

У точечного германиевого диода помещен кристалл германия с электронной проводимостью, в который острием входит контактный пружинящий вывод анода. Под контактным острием в результате специальной термической обработки создается область с дырочной проводимостью.

В плоскостном германиевом диоде на пластину германия с электронной проводимостью накладывается таблетка из индия, которая в процессе изготовления диода нагревается до 500°С и плавится так, что ее атомы диффундируют в германий, образуя область с дырочной проводимостью.

На границе двух областей (с электронной и дырочной проводимостью) появляется запирающий р-n-переход.

Как в точечном, так и в плоскостном диоде германий припоем укреплен на кристаллодержателе, к которому приварен вывод катода. Вывод анода также припоем укрепляется в области с дырочной проводимостью и выводится наружу в верхней части диода Металлический корпус сварен с кристаллодержателем и стеклянным изолятором.

Кремниевые диоды отличаются от германиевых не только материалом полупроводника, но и некоторыми преимуществами, а именно:

более высокой предельной температурой,

много меньшим обратным током,

более высоким пробивным напряжением.

Однако сопротивление кремниевого вентиля в прямом направлении значительно больше чем германиевого.

Селеновый вентиль состоит из алюминиевого диска, с одной стороны покрытого слоем кристаллического селена, обладающего дырочной проводимостью, который служит одним электродом. Другим электродом является нанесенный на селен слой сплава кадмия и олова, при диффузии из которого атомов кадмия в селен образуется слой) обладающий электронной проводимостью. Селеновые вентили имеют значительно меньшие обратные напряжения (до 60 В) и плотности тока, чем германиевые и кремниевые, так что их габариты и масса значительно больше.

Однако характеристики селеновых вентилей более стабильны, что позволяет соединять их последовательно и параллельно для увеличения обратных напряжений и прямых токов. Кроме того, селеновые вентили обладают свойством самовосстановления, которое сводится к следующему: если через пробитую шайбу пропустить большой ток, то селен нагревается и плавится, закрывая место пробоя и восстанавливая вентильное свойство диода.

Меднозакисный вентиль состоит из медного диска со слоем закиси меди, к которому прилегает для получения хорошего контакта свинцовый диск с латунным радиатором большого диаметра. Слой закиси меди образуется при термической обработке меди в атмосфере кислорода. Наружный слой закиси меди, полученный при избытке кислорода, обладает дырочной проводимостью, а слой закиси, полученной при недостатке кислорода, электронной проводимостью. Между этими двумя слоями закиси меди возникает р-n-переход.

Меднозакисные вентили имеют низкие обратные напряжения (10 В) и плотности тока (0,1 А/см²) и в преобразовательных устройствах не используются. Их применение ограничено измерительными приборами в силу стабильности их характеристик.

Транзисторы

Транзистором называется полупроводниковый прибор в двумя р-n-переходами, предназначенный для усиления и генерирования электрических колебаний и представляющий собой пластину кремния или германия, состоящую из трех областей. Две крайние области всегда обладают одинаковым типом проводимости, а средняя - противоположной проводимостью. Транзисторы, у которых крайние обладают электронной проводимостью, называются транзисторами n-p-n-типа (рис. 5, а); транзисторы, у которых крайние области обладают дырочной, а средняя электронной проводимостями - транзисторами р-n-р-типа (рис. 5, б). Физические процессы, происходящие в транзисторах двух типов, аналогичны и различие между ними заключается в том, что полярности включения источников питания их противоположны, а также в том, что если в транзисторе n-p-n-типа электрический ток создается в основном электронами, то в транзисторе р-n-р-типа - дырками. Смежные области, отделенные друг от друга р-n-переходами, называются эмиттером Э, базой Б и коллектором К.

Эмиттер является областью, испускающей (эмигрирующей) носители зарядов электронов в транзисторе n-p-n-типа и дырок в транзисторе р-n-р-типа, коллектор - область, собирающая носители зарядов, база - средняя область, основание.

В условиях работы транзистора к левому р-n-переходу прикладывается напряжение эмиттер - база в прямом направлении, а к правому р-n-переходу - напряжение база - коллектор - в обратном. Под действием электрического поля большая часть носителей зарядов из левой области (эмиттера), преодолевая р-n-переход, переходит в очень узкую среднюю область (базу). Далее большая часть носителей зарядов продолжает двигаться ко второму переходу и, приближаясь к нему, попадает в электрическое поле, созданное внешним источником. Под влиянием этого поля носители зарядов втягиваются в правую область (коллектор), увеличивая ток в цепи батареи.

Если увеличить напряжение на эмиттере, то возрастет количество носителей зарядов, перешедших из эмиттера в базу, т. е. увеличится ток эмиттера на некоторую величину. При этом также увеличится ток коллектора на величину.

В базе незначительная часть носителей зарядов, перешедших из эмиттера, рекомбинирует со свободными носителями зарядов противоположной полярности, убыль которых пополняется новыми носителями зарядов из внешней цепи, образующими ток базы. Таким образом, ток коллектора окажется меньше тока эмиттера, незначительно отличаясь от последнего. Отношение приращения тока коллектора к приращению тока эмиттера при постоянном напряжении коллектора называется коэффициентом усиления по току и обычно имеет значение 0,9-0,995.

Если цепь эмиттер - база разомкнута и ток в ней равен нулю, а между коллектором и базой приложено напряжение,, то в цепи коллектора будет проходить небольшой обратный (тепловой) ток, обусловленный неосновными носителями зарядов. Этот ток в сильной степени зависит от температуры и является одним из параметров транзистора (меньшее его значение соответствует лучшим качествам транзистора).

Так как левый (эмиттерный) p-n-переход находится под прямым напряжением, то он обладает малым сопротивлением. На правый же коллекторный) p-n-переход воздействует обратное напряжение и он имеет большое сопротивление. Поэтому напряжение, прикладываемое к эмиттеру, весьма мало (десятые доли вольта), а напряжение, подаваемое на коллектор, может быть достаточно большим (до нескольких десятков вольт). Изменение тока в цепи эмиттера, вызванное малым напряжением, создает примерно такое же изменение тока в цепи коллектора, где действует значительно большее напряжение, в результате чего транзистор осуществляет усиление мощности.

Электронная эмиссия

В электронных лампах прохождение тока связано с перемещением электронов в вакууме, который является непроводящей средой.

Под вакуумом понимают такую высокую степень разрежения воздуха или газа, при которой движение электронов происходит без столкновения с молекулами газа.

Источником электронов в электронных лампах служит металлический электрод - катод, с поверхности которого электроны выходят в окружающую среду. В металлах вокруг атомов движутся электроны, слабо связанные с ними. При нормальной температуре и при отсутствии внешнего электрического поля выхода электронов из катода нет вследствие недостаточности: их кинетической энергии.

Некоторая часть электронов, обладающая наибольшей энергией, выходит за пределы металла и образует электронный слой вокруг катода, который вместе с расположенным на поверхности катода слоем положительных ионов (атомов, лишившихся электронов) образует некоторую разность потенциалов, называемую потенциальным барьером. Эта разность потенциалов препятствует выходу электронов за пределы проводника.

Для выхода электронов из катода необходимо им сообщить энергию, равную работе по преодолению тормозящего действия электрического поля или потенциального барьера. Эта энергия называется работой выхода, а ее отношение к заряду электрона - потенциалом выхода.

В зависимости от способа сообщения дополнительной энергии электронам для выхода из катода различают следующие виды эмиссии:

термоэлектронную,

вторичную,

под ударами тяжелых частиц,

автоэлектронную,

фотоэлектронную.

Термоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из катода при его нагревании. При повышении температуры металла скорость движения электронов и их кинетическая энергия увеличиваются и число электронов, покидающих катод, возрастает.

Вторичной электронной эмиссией называется явление выхода вторичных электронов под действием ударов первичных электронов о поверхность тела. Летящие первичные электроны ударяются о поверхность проводника и проникают в его поверхностный слой, отдавая часть своей энергии вторичным электронам проводника. Если в результате столкновения вторичные электроны будут обладать энергией, большей работы выхода, то они выйдут за пределы проводника. Так как первичный электрон, обладающий значительной энергией, может отдать ее одному или нескольким электронам, то число вторичных электронов может быть больше первичных.

Электронной эмиссией под ударами тяжелых частиц называется явление выхода электронов под действием ударов ионов или возбужденных атомов (молекул) о поверхность проводника, т. е. этот вид эмиссии подобен вторичной электронной эмиссии.

Автоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов из катода под действием сильного электрического поля у его поверхности. Сила, действующая на электрон, находящийся в электрическом поле, пропорциональна заряду электрона и напряженности поля. Поэтому при достаточно большой напряженности электрического поля силы, действующие на электроны, становятся достаточными для преодоления потенциального барьера и выхода электронов из холодного катода.

Фотоэлектронной эмиссией называется явление выхода электронов под действием излучения, поглощаемого катодом, когда электроны катода получают дополнительную энергию для выхода от частиц света - фотонов. Лучистая энергия испускается и поглощается определенными порциями - квантами. Если энергия кванта больше работы выхода, то электрон может покинуть катод. Явление выхода электронов из катода под действием световой энергии называется фотоэффектом.

Все электроны, вылетающие из катода в единицу времени, удаляются от него внешним электрическим полем и образуют электрический ток эмиссии. С повышением температуры катода, увеличением энергии первичных электронов или тяжелых частиц, напряженности ускоряющего поля вблизи катода, светового потока ток эмиссии растет, так как увеличивается число эмиттированных (вылетевших из катода) электронов.

Если же внешнего ускоряющего поля нет и эмиттированные электроны не удаляются от катода, то они скапливаются вокруг него, образуя объемный отрицательный заряд (электронное облако), который создает вблизи катода тормозящее электрическое поле, препятствующее дальнейшему выходу электронов из катода.