Технологии полупроводников. часть 1

Содержание

Назначение

Ниже приводятся основные области применения диодов, на примере которых становится понятно их основное назначение:

Диодные мосты представляют собой 4, 6 или 12 диодов, соединенных между собой, их количество зависит от типа схемы, которая может быть однофазной, трехфазной полумостовой или трехфазной полномостовой. Они выполняют функции выпрямителей, такой вариант чаще всего используется в автомобильных генераторах, поскольку внедрение подобных мостов, а также использование вместе с ними щеточно-коллекторных узлов, позволило в значительной степени сократить размеры данного устройства и увеличить степень его надежности. Если соединение выполнено последовательно и в одну сторону, то это повышает минимальные показатели напряжения, которое потребуется для отпирания всего диодного моста.
Диодные детекторы получаются при комбинированном использовании данных приборов с конденсаторами. Это необходимо для того, чтобы было можно выделить модуляцию с низкими частотами из различных модулированных сигналов, в том числе амплитудно-модулированной разновидности радиосигнала. Такие детекторы являются частью конструкции многих бытовых потребителей, например, телевизоров или радиоприемников.
Обеспечение защиты потребителей от неверной полярности при включении схемных входов от возникающих перегрузок или ключей от пробоя электродвижущей силой, возникающей при самоиндукции, которая происходит при отключении индуктивной нагрузки. Для обеспечения безопасности схем от возникающих перегрузок, применяется цепочка, состоящая из нескольких диодов, имеющих подключение к питающим шинам в обратном направлении. При этом, вход, которому обеспечивается защита, должен подключаться к середине этой цепочки. Во время обычного функционирования схемы, все диоды находятся в закрытом состоянии, но если ими было зафиксировано, что потенциал входа ушел за допустимые пределы напряжения, происходит активация одного из защитных элементов. Благодаря этому, данный допустимый потенциал получает ограничение в рамках допустимого питающего напряжения в сумме с прямым падением показателей напряжение на защитном приборе.
Переключатели, созданные на основе диодов, используются для осуществления коммутации сигналов с высокими частотами. Управление такой системой осуществляется при помощи постоянного электрического тока, разделения высоких частот и подачи управляющего сигнала, которое происходит благодаря индуктивности и конденсаторам.
Создание диодной искрозащиты. Используются шунт-диодные барьеры, которые обеспечивают безопасность путем ограничения напряжения в соответствующей электрической цепи. В совокупности с ними применяются токоограничительные резисторы, которые необходимы для ограничения показателей электрического тока, проходящего через сеть, и увеличения степени защиты.

Использование диодов в электронике на сегодняшний день весьма широко, поскольку фактически ни одна современная разновидность электронного оборудования не обходится без этих элементов.

Типы полупроводников, 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.

Типы полупроводников, ширина запрещенной зоны

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.

Примеры полупроводников

Оксиды являются прекрасными изоляторами. Примеры полупроводников этого типа – оксид меди, оксид никеля, двуокись меди, оксид кобальта, оксид европия, оксид железа, оксид цинка.

Процедура выращивания полупроводников данного типа не совсем изучена, поэтому их применение пока ограничено за исключением оксида цинка (ZnO), используемого в качестве преобразователя и в производстве клеящих лент и пластырей.

Помимо этого оксид цинка применяется в варисторах, датчиках газа, голубых светодиодах, биологических сенсорах. Используется полупроводник и для покрытия оконных стекол с целью отражения инфракрасного света, его можно встретить в ЖК-дисплеях и солнечных батареях.

Слоистые кристаллы представляют собой двойные соединения, подобные дииодиду свинца, дисульфиду молибдена и селениду галлия. Они отличаются слоистым строением кристалла, где действуют ковалентные связи значительной силы. Полупроводники такого типа интересны тем, что электроны ведут себя в слоях квази-двумерно. Взаимодействие слоев изменяется введением в состав сторонних атомов. Дисульфид молибдена (MoS2) применяется в высокочастотных выпрямителях, детекторах, транзисторах, мемристорах.

Органические полупроводники представляют собой широкий класс веществ: нафталин, антрацен, полидиацетилен, фталоцианиды, поливинилкарбазол. У них есть преимущество перед неорганическими: им легко придать нужные качества. Они обладают значительной оптической нелинейностью и поэтому широко используются оптоэлектронике.

Кристаллические аллотропы углерода тоже относятся к полупроводникам:

Фуллерен со структурой в виде выпуклого замкнутого многогранника.
Графен с одноатомным слоем углерода обладает рекордной теплопроводностью и подвижностью электронов, повышенной жесткостью.
Нанотрубки – свернутые в трубку пластины графита в нанометров в диаметре. В зависимости от сцепления могут проявлять металлические или полупроводниковые качества.

Примеры магнитных полупроводников: сульфид европия, селенид европия и твердые растворы. Содержание магнитных ионов влияет на магнитные свойства, антиферромагнетизм и ферромагнетизм. Сильные магнитооптические эффекты магнитных полупроводников позволяют использовать их для оптической модуляции. Применяются они в радиотехнических, оптических приборах, в волноводах СВЧ-устройств.

Полупроводниковые сегнетоэлектрики отличаются наличием в них электрических моментов и возникновением спонтанной поляризации. Пример полупроводников: титанат свинца (PbTiO3), теллурид германия (GeTe), титанат бария BaTiO3, теллурид олова SnTe. При низких температурах имеют свойства сегнетоэлектрика. Эти материалы применяются в запоминающих, нелинейно-оптических устройствах и пьезодатчиках.

Электропроводимость элементов

Собственной проводимостью полупроводника называется свойство, обусловленное носителями, образовавшимися в следствие перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости. При температуре, близкой к абсолютному нулю, все уровни в валентной зоне полностью заполнены, а в зоне проводимости – свободны, и полупроводник по свойствам близок к диэлектрику.

Указание в таблице Менделеева

Повышение температуры приводит к тому, что часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Каждый подобный электрон оставляет после себя в валентной зоне свободное место – дырку, рассматриваемую как эквивалентный частице положительный заряд. Следовательно, электрон и дырка рождаются одновременно – парой.

Свойства особого типа проводимости обусловлены наличием примесей. Введение примеси (порядка 0,01%) изменяет энергетическую структуру полупроводника, в запрещенной зоне появляются локальные энергетические состояния. Этот процесс получил научное название – легирование. То есть, процесс, подразумевающий внедрение в состав основного вещества определенных добавок и примесей. Легирование используется во время производства полупроводниковых приборов и деталей. Главная задача этого процесса – изменить концентрацию носителей внутри зарядов. Для этого можно воспользоваться имплантацией ионов или трансмутационным легированием.

Свойства полупроводников.

Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры. При очень низкой

температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводникине проводят электрический ток, а сповышением температуры, их сопротивляемость токууменьшается .

Если на полупроводник навести свет

, то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданыфотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводникипримесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.

Фотосопротивления

Как нам известно, электроны в полупроводниках могут переходить в зону проводимости не только при повышении температуры, но и при поглощении фотона (внутренний фотоэффект). Существуют полупроводники энергия перехода электронов, у которых составляет десятые доли электрон — вольта, то есть на сопротивление подобных проводников оказывает влияние не только видимый свет, но даже инфракрасное излучение. Прибор, основывающийся на изменении сопротивления полупроводников под воздействием освещенности, называют фотосопротивлением. Для видимой части спектра чаще всего используют полупроводники из селена, германия, сернистого кадмия и таллия. Для инфракрасной части спектра применяют полупроводники из сернистого, селенистого и теллуристого свинца.

Основной характеристикой подобных фотосопротивлений является зависимость фототока (I) от величины светового потока (Ф). Во многих случаях эта зависимость имеет вид:

где $0

Вольт — амперные характеристики фотосопротивлений имеют линейный характер. Фотосопротивления инерционны, это значит, что фототок достигает максимума не мгновенно, спадает он при прекращении освещения, также через некоторое время.

Фотосопротивления используются в автоматике, сортировке изделий по окраске или размерам.

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.

Дырочная проводимость.

Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка. Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.

Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.

Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p-типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p-типа основными носителями заряда являются дырки, а не основными — электроны.

Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.

На этом давайте остановимся, а в следующей части рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!

1. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.2. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.

Полупроводниковые приборы и их классификация.

В современной электронике на основе полупроводников производят активные

элементы. То есть те, которые способны менять свои электрические характеристики в зависимости от подаваемого на них напряжения. Скажем, тот же транзистор является активным элементом, поскольку его значение внутреннего сопротивления будет меняться в зависимости от разных условий в электронной цепи. А вот, например обычный резистор относиться к категориипассивных элементов, так как его сопротивление будет всегда одинаковым. К пассивным электронным компонентам относятся также конденсаторы и катушки. Их создают из других материалов.

Фундаментальными активными элементами являются транзисторы и диоды. Другие полупроводниковые приборы, такие как варикапы, тиристоры и симисторы — это модификации и тех же транзисторов и диодов. Приборы с одним элементом называются дискретными

. Соединив множество полупроводниковых элементов на одном кристалле, получаютинтегральную схему . Например, процессор и память компьютера являются интегральными схемами, состоящими из сотен миллионов транзисторов.

Принцип работы

Понять принцип действия полупроводникового диода несложно. Все, что для этого понадобится — разбираться в базовых законах физики и знать, как происходят некоторые электрические процессы.

Изначально электроток действует на катод, что вызывает накаливание подогревательного элемента. В свою очередь, электродом испускаются электроны, а между двумя частями появляется электрическое поле.

В двух электродах начинается формирование пространственно-отрицательного заряда, который может препятствовать протеканию электронов. Однако случается это лишь при снижении потенциала анода, в результате чего масса электронов не способна справиться с отрицательными элементами, что заставляет их перемещаться в обратном порядке, то есть электроны снова возвращаются к катоду.

Нередко показатели катодного тока держатся нулевой отметки — происходит это при воздействии частиц с зарядом минус. В результате образованное поле не заставляет электроны двигаться быстрее, а вызывает обратную реакцию — притормаживает их и заставляет вернуться обратно к катоду. В конечном итоге цепь размыкается, так как диод остается в запертом состоянии.

Прямое включение диода

На p-n-переход диода может оказывать воздействие напряжение, подаваемое с внешних источников. Такие показатели, как величина и полярность, будут сказываться на его поведении и проводимом через него электрическом токе.

Ниже подробно рассмотрен вариант, при котором происходит подключение плюса к области p-типа, а отрицательного полюса к области n-типа. В этом случае произойдет прямое включение:

Под воздействием напряжения от внешнего источника, в p-n-переходе сформируется электрическое поле, при этом его направление будет противоположным относительно внутреннего диффузионного поля.
Напряжение поля значительно снизится, что вызовет резкое сужение запирающего слоя.
Под воздействием этих процессов значительное количество электронов обретет возможность свободно переходить из p-области в n-область, а также в обратном направлении.
Показатели тока дрейфа во время этого процесса остаются прежними, поскольку они напрямую зависят только от числа неосновных заряженных носителей, находящихся в области p-n-перехода.
Электроны обладают повышенным уровнем диффузии, что приводит к инжекции неосновных носителей. Иными словами, в n-области произойдет повышение количества дырок, а в p-области будет зафиксирована повышенная концентрация электронов.
Отсутствие равновесия и повышенное число неосновных носителей заставляет их уходить вглубь полупроводника и смешиваться с его структурой, что в итоге приводит к разрушению его свойств электронейтральности.
Полупроводник при этом способен восстановить свое нейтральное состояние, это происходит благодаря получению зарядов от подключенного внешнего источника, что способствует появлению прямого тока во внешней электрической цепи.

Интегральные схемы

На основе полупроводниковых кристаллов создаются интегральные схемы, в которых сотни тысяч элементов соединяются в единую электрическую цепь.

Полупроводники используются при создании:

фоторезисторов, которые находят применение в автоматических выключателях света, индикаторах на ИСЗ;

термисторах, используемых для измерения температуры, в пожарной сигнализации, реле времени;

фотоэлементах, используемых в солнечных батареях;

фотодиодах, используемых для измерения интенсивности света;

фототранзисторах, используемых в различных датчиках;

светодиодах, используемых в качестве источника инфракрасного излучения, знаковых индикаторах, полупроводниковых лазерах.

Подведем итог

Полупроводники по электропроводности занимают промежуточное положение между диэлектриками и проводниками. К полупроводникам относится большая группа веществ (Si, Ge и др.). В отличие от металлов с ростом температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается.

Проводимость полупроводников обусловлена наличием свободных электронов и дырок. В чистом кристалле электроны и дырки присутствуют в равном количестве. Такой полупроводник обладает собственной проводимостью.

При наличии примесей в полупроводниках возникает примесная проводимость. При добавлении донорной примеси с валентностью на единицу больше, чем у полупроводника, один электрон остается свободным. Получается полупроводник n-типа.

Если же добавить акцепторную примесь с валентностью на единицу меньше, чем у полупроводника, то в таком полупроводнике концентрация дырок превышает концентрацию электронов. Получается полупроводник p-типа.

Область контакта полупроводников двух типов называется p-n-переходом. Важным свойством p-n-перехода является его односторонняя проводимость. Данное свойство используется в работе полупроводникового диода.

Полупроводники используются при создании транзисторов, термисторов, светодиодов, фотоэлементов, интегральных схем.

В настоящее время полупроводниковые приборы находят широкое применение в радиотехнике, автоматике, вычислительной технике, телемеханике.

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

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 Замеры освещенности помещения

Вам это будет интересно Замеры освещенности помещения

Термисторы

Как известно, проводимость полупроводников увеличивается с ростом температуры, так как увеличивается число носителей заряда. Приближенно, зависимость проводимости полупроводников от температуры можно представить как: где $E$ — энергия активации (энергия, требуемая для перевода электрона в зону проводимости), $k$ — постоянная Больцмана. Около абсолютного нуля все полупроводники превращаются в изоляторы. Сильная зависимость сопротивления полупроводников от температуры дает возможность использовать их в различных областях техники.

Определение 1

Приборы, которые основываются на зависимости величины сопротивления от температуры, называются термисторами.

Для производства термисторов применяют полупроводники, которые обладают существенной величиной отрицательного сопротивления (обычно, это оксидные полупроводники). Термисторы изготавливают в форме цилиндрических стержней, бусин или нитей, заключенных в баллончики из стекла, керамики или металла с изоляцией.

Готовые работы на аналогичную тему

Курсовая работа Применение полупроводников 440 ₽ Реферат Применение полупроводников 260 ₽ Контрольная работа Применение полупроводников 230 ₽

Получить выполненную работу или консультацию специалиста по вашему учебному проекту Узнать стоимость

Основные параметры, которые характеризуют термисторы:

Сопротивление при t=20°.
Температурный коэффициент сопротивления при t=20°.
Время тепловой инерции — это время, за которое сопротивление термистора изменяется до определенной величины.
Максимальная температура эксплуатации.
Теплоемкость.

В соответствии с назначением термисторы делят на:

Измерительные, которые используют для измерения температур и влажности воздуха. Через такой термистор пропускают ток малой величины, который не вызывает заметного разогрева термистора. Температура термистора изменяется только с изменением температуры окружающей среды.
Термисторы прямого подогрева. Сопротивление таких термисторов изменяется за счет джоулева тепла. Используя этот вид термисторов, стабилизируют напряжение при очень существенных колебаниях и небольших токах (например, в телефонных линиях). Их применяют для того, чтобы поддерживать постоянство сопротивления электросетей (Используют то, что термисторы имеют отрицательный температурный коэффициент, тогда как все остальные металлические элементы имеют положительный температурный коэффициент). Эти термисторы заменяют движковые реостаты. Довольно часто требуется, чтобы ток в цепи нарастал постепенно, тогда для «выдержки времени» применяют данный тип термисторов.
Термисторы косвенного подогрева, в них полупроводник нагревается за счет внешнего источника тепла. Такого рода термисторы применяют для сигнализации о перегреве отдельных частей машины, о недостаточной смазке, изменении уровней жидкости в резервуарах.

Требуется помощь в составлении плана учебной работы? Укажи тему и получи ответ через 15 минут получить помощь

Германий VS Кремний

Самыми распространенными полупроводниками в производстве электронных компонентов являются германий (Ge) и кремний (Si). На заре полупроводниковой эпохи предпочитали использовать германий. По сравнению с кремнием, у него более низкое напряжение отпирания pn-перехода (0.1V — 0.3V против 0.6V — 0.7V). Это делает германий более экономичным в плане энергозатрат.

Кремний лучше сохраняет стабильность работы на высоких температурах и превосходит германий по частотным характеристикам. К тому же запасы Si на планете практически безграничны, а технология его получения и очистки значительно дешевле, чем Ge, довольно редкого в природе элемента. Все это привело к неизбежной и быстрой замене германиевых полупроводников на кремниевые. Первый транзистор на основе этого материала появился уже в 1954 году.