1. Полупроводниковые приборы

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании их свойств. К чистым полупроводникам относятся элементы IV группы Периодической системы элементов Д.И.Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники – германий Ge и кремний Si. Чистые полупроводники обладают высоким удельным сопротивлением (от 0,65 Омм до 10⁸ Омм). Для снижения высокого удельного сопротивления чистых полупроводников в них вводят примеси, такой процесс называется легированием. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д.И.Менделеева.

Элементы III группы имеют три валентных электрона, поэтому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном. Такие полупроводники обладают дырочной электропроводностью, основными носителями заряда в них являются дырки. Под дыркой понимается место, покинутое электроном. Такие полупроводники также называют полупроводниками p-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался недостаток электронов, называют акцепторной.

Элементы V группы имеют пять валентных электронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним. Такие полупроводники обладают электронной электропроводностью, основными носителями заряда в них являются электроны. Это полупроводники n-типа. Примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался избыток электронов, называют донорной.

Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концентрации примесей. При концентрации примесей 10²⁰-10²¹ на 1 см³ вещества оно может быть снижено до 510^-6 Омм для германия и 510^-5 Омм для кремния.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный или p-n-переход, которым называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой – электронную электропроводность.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение U_обр, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап, то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал и обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным I_обр, а p-n-переход – закрытым. При противоположной полярности источника напряжения внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается. Сопротивление p-n-перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым I_пр, а p-n-переход – открытым.

На рис.56 показана полная вольт-амперная характеристика открытого и закрытого p-n-перехода. Пробой p-n-перехода на отрицательном участке связан с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника.

Закрытый p-n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. Свойства p-n-перехода широко используются в полупроводниковых приборах.

Полупроводниковые диоды

Полупроводниковым диодом называют двухэлектродный полупроводниковый прибор, содержащий один электронно-дырочный p-n переход.

Вольт-амперная характеристика выпрямительного диода подобна характеристике, показанной на рис.56. Основным свойством такого диода является большое различие сопротивлений в прямом и обратном направлениях, что обуславливает его вентильные свойства, т.е. способность пропускать ток преимущественно в одном (прямом) направлении. Электрические параметры выпрямительного диода: максимально допустимый прямой ток, максимально допустимое обратное напряжение, межэлектродная емкость, сопротивление постоянному и переменному току.

Полупроводниковый стабилитрон – полупроводниковый диод, напряжение на котором в области электрического пробоя слабо зависит от тока, служит для стабилизации напряжения.

Основные параметры стабилитрона: напряжение на участке стабилизации U_ст (от 1 до 1000 В); динамическое сопротивление на участке стабилизации R_д = dU_ст/dI_ст (от 0,5 до 200 Ом); минимальный ток стабилизации I_стmin (от 1 до 10 мА); максимальный ток стабилизации I_стmax (от 50 до 2000 мА); температурный коэффициент напряжения на участке стабилизации (от –0,05 до +0,2 %/С).

К полупроводниковым диодам относятся: фотодиод, в котором в результате освещения p-n-перехода повышается обратный ток; светодиод, в котором в режиме прямого тока в зоне p-n-перехода возникает видимое или инфракрасное излучение; варикап, в котором используется зависимость емкости p-n-перехода от обратного напряжения, предназначен для применения с электрически управляемой емкостью.

Светодиоды находят применение для цифровой индикации в измерительных приборах, в наручных часах, микрокалькуляторах и других приборах, фотодиоды используются в солнечных батареях, применяемых на космических кораблях и в южных районах земного шара.

Биполярные транзисторы

Транзистором называют трехэлектродный полупроводниковый прибор, пригодный для усиления мощности электрических сигналов. Кроме усиления, транзисторы используют для генерирования сигналов, их различных преобразований и решения других задач электронной техники.

Название биполярного транзистора объясняется тем, что ток в нем определяется движением носителей зарядов двух знаков – отрицательных и положительных (электронов и дырок).

Биполярный транзистор состоит из трех слоев полупроводников типа p-n-p, между которыми образуются два p-n перехода в соответствии с чередованием слоев с разной электропроводностью. Биполярные транзисторы подразделяют на два типа (рис.59, а): p-n-p и n-p-n. У транзистора имеются три вывода (электрода): эмиттер Э, коллектор К и база Б. Эмиттер и коллектор соединяют с крайними областями (слоями), имеющими один и тот же тип проводимости, база соединяется со средней областью. Напряжение питания подают таким образом, чтобы на переход эмиттер – база было подано напряжение в прямом направлении, а на переход база – коллектор в обратном направлении.

Рассмотрим более подробно работу транзистора типа p-n-p. При подключении эмиттера к положительному зажиму источника питания возникает эмиттерный ток I_э (рис.59, б). Дырки преодолевают переход и попадают в область базы, для которой дырки не являются основными носителями заряда. Дырки частично рекомбинируют с электронами базы. Однако поскольку напряжение питания коллектора во много раз (в 20) больше, чем напряжение питания базы, и конструктивно слой базы выполняется очень тонким, вследствие чего электрическое сопротивление цепи базы получается высоким, то ток, ответвляющийся в цепь базы I_б, оказывается незначительным. Большинство дырок достигают коллектор, образуя коллекторный ток I_к.

I_э = I_б + I_к, причем I_э = I_к,

где   0,95-0,995 – коэффициент передачи по току.

Ток коллектора I_к превосходит ток базы I_б от 20 до 200 раз. Это объясняет возможность усиления с помощью транзистора тока и, соответственно, мощности сигнала во много раз. Если в коллекторную цепь включить сопротивление нагрузки, в нем будет выделяться мощность, во много раз бóльшая, чем мощность сигнала, подводимого в цепь базы. При этом следует иметь в виду, что мощность сигнала усиливается за счет энергии источников питания.

Принцип действия транзистора типа n-p-n точно такой же, как у рассмотренного выше транзистора p-n-р.

Вольт-амперные характеристики транзистора определяются схемой его включения: с общим эмиттером (ОЭ), с общей базой (ОБ) или с общим коллектором (ОК).

Основные вольт-амперные характеристики транзистора:

 входная – зависимость входного тока от входного напряжения при постоянном выходном напряжении;

 семейство выходных – зависимость выходного тока от выходного напряжения при разных (фиксированных) значениях входного тока.

На рис.60 представлены вольт-амперные характеристики биполярного транзистора, включенного по схеме с общим эмиттером.

Полевым называют транзистор, управляемый электрическим полем, или транзистор с управляемым каналом для тока.

Ток в полевом транзисторе создается носителями заряда только одного знака (электронами или дырками), вследствие чего эти транзисторы называют униполярными.

Каналом считают центральную область транзистора. Электрод, из которого в канал поступают основные носители заряда, называют истоком И, а электрод, через который основные носители уходят из канала, – стоком С. Электрод, служащий для регулирования поперечного сечения канала, называют затвором З.

В зависимости от электропроводности исходного материала различают транзисторы с p и n-каналом.

Рассмотрим принцип действия полевого транзистора с затвором в виде p-n-перехода. Он представляет собой кремниевую пластину, n-типа, на верхней и нижней гранях которой создаются области с проводимостью противоположного типа (рис.61, а). Эти области образуют единый электрод-затвор. Область с n-прово­димостью, расположенная между p-областями, образует токовый канал. На торцевые поверхности пластины наносят контакты, образующие два других электрода И и С, к которым подключается источник питания U_с и при необходимости сопротивление нагрузки. Между каналом и затвором создаются два p-n-перехода.

Ток протекает от истока к стоку по каналу, сечение которого зависит от затвора. При увеличении отрицательного потенциала на затворе p-n-переходы запираются и расширяются практически за счет канала, сечение канала, а, следовательно, и его проводимость, уменьшаются, ток через канал падает (рис.61, б). При некотором U_з = U_зо, называемом напряжением отсечки, области p-n-переходов смыкаются по всей длине канала, сток и исток оказываются изолированными друг от друга, ток I_с равен нулю.

Если при U_з = const увеличивать U_с, то ток через канал I_с возрастет (рис.61, в). При этом увеличивается падение напряжения на канале, которое способствует увеличению обратного напряжения на p-n-переходах, вызывая тем самым сужение канала. При некотором U_с = U_н, называемом напряжением насыщения, канал настолько сужается, что с ростом U_с ток I_с не увеличивается.

Интегральные микросхемы

Интегральная микросхема – микроэлектронное изделие, содержащее не менее пяти активных элементов (транзисторов, диодов) и пассивных элементов (резисторов, конденсаторов, дросселей), которые изготавливаются в едином технологическом процессе, электрически соединены между собой, заключены в общий корпус и представляют неделимое целое.

Основные параметры интегральных микросхем:

 плотность упаковки (количество элементов в единице объема);

 степень интеграции (количество элементов в микросхеме).

По степени интеграции интегральные микросхемы бывают:

 I степень – до 10 элементов;

 II степень – от 10 до 100 элементов;

 III степень – от 100 до 1000 элементов и т.д.

По конструктивно-технологическому признаку интегральные микросхемы делятся на:

 гибридные – пассивные элементы выполнены посредством нанесения пленок на поверхность диэлектрической подложки; активные элементы представляют собой бескорпусные полупроводниковые приборы (плотность упаковки – до 150 на 1 см³, степень интеграции – I и II);

 полупроводниковые – все элементы таких микросхем выполнены в объеме и на поверхности полупроводника (плотность упаковки – до 10⁵ на 1 см³, степень интеграции –VI и выше).

По функциональному назначению интегральные микросхемы делятся на аналоговые и логические. Для аналоговых характерна пропорциональность входных и выходных сигналов, на них строятся усилители и генераторы аналоговых сигналов. Логические микросхемы применяются в ЭВМ, для их анализа используется алгебра логики.