Напівпровідникові діоди і транзистори, області їх застосування

підготовлено

Учнем 10 «А» класу

Школи № 610

Івчіним Олексієм

Реферат на тему:

«Напівпровідникові діоди і транзистори, області їх пременеія»

план

1. Напівпровідники: теорія і властивості

2. Основні напівпровідникові прилади (Будова і застосування)

3. Типи напівпровідникових приладів

4. Виробництво

5. Область застосування

1.Полупроводнікі: теорія і властивості

Спочатку треба познайомитися з механізмом провідності в напівпровідниках. А для цього потрібно зрозуміти природу зв'язків утримують атоми напівпровідникового кристала один біля одного. Для прикладу розглянемо кристал кремнію.

Кремній-чотиривалентний елемент. Це означає, що у зовнішній

оболонці атома є чотири електрона, порівняно слабко пов'язані

з ядром. Число найближчих сусідів кожного атома кремнію також дорівнює

чотирьом. Взаємодія пари сусідніх атомів здійснюється за допомогою

паоноелектронной зв'язку, званої ковалентним зв'язком. В освіті

зв'язку з цим від кожного атома беруть участь по одному валентному електрону, ко

торие отщепляются від атомів (коллектівізіруются кристалом) і при

своєму русі більшу частину часу проводять в просторі між

сусідніми атомами. Їх негативний заряд утримує позитивні іони кремнію один біля одного. Кожен атом утворює чотири зв'язки з сусідніми,

і будь-який валентний електрон може рухатися по одній з них. Дійшовши до сусіднього атома, він може перейти до наступного, а потім далі вздовж усього кристала.

Валентні електрони належать всьому кристалу. Парноелектронную зв'язку кремнію достатньо міцні і при низьких температурах не розриваються. Тому кремній при нізкоі температурі не проводить електричний струм. Беруть участь в зв'язку атомів валентні електрони міцно прив'язані до кристалічній решітці, і зовнішнє електричне поле не робить помітного впливу на їх рух.

Електронна провідність.

При нагріванні кремнію кінетична енергія частинок підвищується, і

настає розрив окремих зв'язків. Деякі електрони залишають свої орбіти і стають вільними, подібно електронам в металі. В електричному полі вони переміщаються між вузлами решітки, утворюючи електричний струм.

Провідність напівпровідників обумовлену наявністю у металів вільних

електронів електронів, називають електронною провідністю. При підвищенні температури число розірваних зв'язків, а значить, і вільних електронів увелівает. При нагріванні від 300 до 700 К число вільних носіїв заряду збільшується від 10в17 до 10в24 1 / м в3. Це призводить до зменшення опору.

Діркова провідність.

При розриві зв'язку утворюється вакантне місце з відсутньою електроном.

Його називають діркою. У дірці є надлишковий позитивний заряд в порівнянні з іншими, нормальними зв'язками. Положення дірки в кристалі не є незмінним. Безперервно відбувається наступний процес. Один

з електронів, що забезпечують зв'язок атомів, перескакує на місце про-

утворених дірки і відновлює тут парноелектронную зв'язок.

а там, звідки перескочив цей електрон, утворюється нова дірка. Таким

чином, дірка може переміщатися по всьому кристалу.

Якщо напруженість електричного поля в зразку дорівнює нулю то переміщення дірок, рівноцінне переміщенню позитивних зарядів, відбувається безладно і тому не створює електричного струму. При наявності електричного поля виникає упорядковане переміщення дірок, і, таким чином, до електричного струму вільних електронів додається електричний струм пов'язаний з переміщенням дірок. Напрямок руху дірок протилежно напрямку руху електронів.

Отже, в напівпровідниках є носії заряду двох типів: електрони і дірки. Тому напівпровідники мають не тільки електронної, але і доречнийпровідністю. Провідність при цих умов називають власноюпровідність напівпровідників. Власна провідність напівпровідників зазвичай невелика, так як мало число вільних електронів, наприклад, в Німеччині при кімнатній температурі ne = 3на10в23 см в -3. У той же час число атомів германію в 1 см кубічному порядку 10в23. Таким чином, число вільних електронів становить приблизно одну десятимільярдний частина від загального числа атомів.

Істотна особливість напівпровідників полягає в тому, що в них

при наявності домішок поряд з власною провідністю виникає

додаткова - домішкових провідність. змінюючи концентрацію

домішки, можна значно змінювати число носіїв заряду того

чи іншого знака. Завдяки цьому можна створювати напівпровідники з

переважної концентрацією або негативно, або положи-

кові заряджених носіїв. Ця особливість напівпровідників від-

кість широкі можливості для практичного застосування.

Донорні домішки.

Виявляється, що при наявності домішок, наприклад атомів миш'яку, навіть при дуже малій їх концентрації, число вільних електронів зростає у

багато разів. Відбувається це з наступних причин. Атоми миш'яку мають п'ять валентних електронів, чотири з них беруть участь у створенні ковалентного зв'язку даного атома з оточуючими, наприклад з атомами кремнію. П'ятий валентний електрон виявляється слабо пов'язаний з атомом. Він легко залишає атом миш'яку і стає вільним. Концентрація вільних електронів значно зростає, і стає в тисячу разів більше концентрації вільних електронів в чистому напівпровіднику. Домішки, легко віддають електрони називають донорними, і такі напівпровідники є напівпровідниками n-типу. У напівпровіднику n-типу електрони являютсн основниім носіями заряду, а дірки - неосновними.

Акцепторні домішки.

Якщо в якості домішки використовувати індій, атоми якого тривалентне, то характер провідності напівпровідника змінюється. Тепер для утворення нормальних парноелектронних зв'язків з сусідами атому Індія не

дістає електрона. В результаті утворюється дірка. Число дірок в кріс-

талій дорівнює кількості атомів домішки. Такого роду домішки на-

викликають акцепторні (приймають). При наявності електричного поля

дірки перемешаютс по полю і виникає діркова провідність. по-

лупроводнікі з переважанням дірочкою провідності над електрон

ної називають полупроноднікамі р-типу (від слова positiv - позитивний).

2.Основні напівпровідникові прилади (Будова і застосування)

Існують два основних напівпровідникових приладів: діод і транзистор.

Діод.

У нястояшее час для випрямлення електріческігй струму в радіосхемах поряд з двоелектродними лампами вся більше застосовують напівпровідниках діоди, так як вони мають ряд переваг. В електронній лампі носії заряду електрони виникають за рахунок нагрівання катода. В pn переході носії заряду утворюється при введенні в кристал акцепторної або донорної прімесі.Такім чином, тут відпадає необхідність джерела енергії для отримання носіїв заряду. У складних схемах економія енергії, виходить за рахунок цього, виявляється досить значною значною. Крім того, напівпровідникові випрямлячі при тих же значеннях випрямленого струму більш мініатюрні, ніж лампові.

Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію. селену та інших речовин. Розглянемо як створюється pn перехід при використанні днорной домішки, цей перехід не вдасться отримати шляхом механічного соеденения двох напівпровідників різних типів, тому що при цьому виходить занадто великий зазор між полупроводіікамі.Ета товщина повинна бути не більше міжатомних відстаней. З цього в одну з поврхностей зразка вплавляют індій. Внаслідок дифузії атомів індії індію в глиб монокристала Німеччина у поверхні германію перетвориться область з проводімцстью р-типу. Інша частина зразка Німеччини, в якій атоми індмя нс проникли, як і раніше має проводімосгь n-типу. Між областями виникає pn перехід. Вполупроводніковом діоді германій служить катодом, а індій - анодом. На малюнку 1 показано пряме (б) і зворотне (в) подсоедененіе діода.

Вольт-амперна характеристика при прямому і зворотному з'єднанні показана на малюнку 2.

Замінили лампи, дуже широко використовуються в техніки, в основному для випрямлячів, також діоди знайшли застосування в різних приладах.

Транзистор.

Розглянемо один з видів транзистора з германію або кремнію з введеними в них донорними і акцепторними домішками. Розподіл домішок таке, що створюється дуже тонка (близько декількох мікрометрів) прошарок напівпровідника n-типу між двома шарами напівпровідника р-типу рис. 3. Цю тонкий прошарок називають підставою або базой.В кристалі утворюються два р-n-переходу, прямі напрямки яких протилежні. Три висновки від областей з різними типами провідності дозволяють включати транзистор в схему, зображену на малюнку 3. При цьому включення

лівий р-n перехід є прямим і відокремлює базу від області зпровідністю р-типу, звану емітером. Якби не було правого р -n-переходу, в ланцюзі емітер - база існував би струм, що залежить від напруги джерел (батареї Б1 і джерела змінного напря-

вання) і опору кола, включаючи мале опір прямого пе-

рехода емітер - база. Батарея Б2 включена так, що правий р-n-перехід в схемі (див. Рис. 3) є зворотним. Він відокремлює базу від правої області зпровідністю р-типу, званої колектором. Якби не було лівого p-n-переходу, сила струму і ланцюги колектора була б близька до нуля. Так як опір зворотного переходу дуже велике. При існуванні ж струму в лівому р -n переході з'являється струм і в ланцюзі колектора, причому сила струму в колекторі лише трохи менше сили струму в еміттере.Прі створенні напруги між емітером і базою основні носії напівпровідника р-типу - дірки проникають в базу, НДР вони є виручкою вже леосновнимі носіями. По-кільки товщина бази дуже мала і число основних носіїв (електронів) в ній невелика, що потрапили в неї дірки майже не об'єднуються (НЕ рекомбінують) з електронами бази і проникають н колектор за рахунок дифузії. Правий р-n-перехід закритий для основних носіїв заряду бази - електронів, але не для дірок. У колекторі дірки захоплюються електричним полем і замикають ланцюг. Сила струму, відгалужується в ланцюг емітера з бази, дуже мала, так як площа перетину бази в горизонтальній (див.рис. 3) площині багато менше перетину в вертикальній площині. Сила струму в колекторі, практичні но рівна силі струму в емітер, змінюється разом зі струмом в емітер. Опір резистора R мало впливає на струм в колекторі, і це опір можна зробити досить великим. Керуючи струмом емітера за допомогою джерела змінної напруги, включеного в його ланцюг, ми отримаємо синхронне зміна напруги на резисторі. При великому опір резистора зміна напруги на ньому може в десятки тисяч разів перевищувати зміна сигналу в ланцюзі еміттера.Ето означає посилення напруги. Тому на навантаженні R можна отримати електричні сигнали, потужність яких у багато разів перевершує потужність, що надходить в ланцюг еміттера.Оні замінюють електронні лампи, широко використовуються в техніці.

3.Типи напівпровідникових приладів.

Крім плоскостниих діодів рис 8 і транзисторів існують ще й точкові діоди рис 4 ,. Точкові транзистори (будова см на малюнку) перед премененіе його формують тобто пропускають струм певної величини, внаслідок чого під вістрям дроту утворюються область з доречнийпровідністю. Транзистори бувають pnp і npn типів. Позначення і загальний вигляд на малюнку 5.

Існують фото- і термо- резистори і варистори вид на малюнку. До плосткостним диодам відносяться селенові випрямітелі.Основой такого діода служить сталева шайба, покрита з одного боку шаром селену, що є напівпровідників з доречнийпровідністю вид на рис 7. Поверхност селену покрита сплавом кадмію, в результаті чого утворюється плівка володіє електронною провідністю, внаслідок чого утворюється перехід випремляющій ток.Чем більше площа, тим більше випремляемий струм.

4. Прізводство

Технологія виготовлення діода така. На поверхні квадратної пластинки площею 2-4 см в кв і товщиною в кілька часток міліметра, вирізаної з кристала напівпровідника з електронною провідністю, розплавляють шматочок індію. Індій міцно сплавляється з пластінкой.Прі цьому атоми індію проникають (діффузіруют) в товщу пластинки, утворюючи в ній область з переважанням діркової провідності рис 6 Виходить напівпровідниковий прилад з двома областями різного типу провідності, а між ними pn-перехід. Чим тонше пластинка напівпровідника. тим менше опір діода в прямому напрямку, тим більше виправлений діодом струм. Контактами діода служать крапелька індію і металевий диск або стрижень з вивідними провідниками

Після складання транзистора його монтують в корпус, присоеденяюсь ел. висновки до контактних пластин кристала і висновком корпусу і герметизують корпус.

5. Область застосування

Діоди мають велику надійність, але межа їх премененія від -70 до 125 С. Оскільки у точкового діода площа зіткнення дуже мала, тому струми, які можуть випремлять такі діоди не більш 10-15 ма. І їх використовують в основному для модуляції коливань високої частоти і для вимірювальних приладів. Для будь-якого діода існують деякі гранично допустимі межі прямого і зворотного потоку, що залежать від прямого і зворотного напруги і визначально його випремляющіе і міцності св-ва.

Транзистори, як і діоди, чутливі до температури і перевантаження і проникаючим випромінюванням. Транзистори на відміну від радіоламп згорають від неправильного підключення.