Эрл Гейтс - Введение в электронику

• Полупроводниковыми материалами являются любые материалы, проводимость которых лучше проводимости изоляторов, но хуже проводимости проводников.

• Чисто полупроводниковыми материалами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si).

• В большинстве полупроводниковых приборов используется кремний.

• Валентность — это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны.

• Полупроводниковые материалы имеют наполовину заполненные валентные оболочки.

• Кристаллы образуются из атомов, которые совместно используют свои валентные электроны путем образования ковалентных связей.

• Полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления: при повышении температуры их сопротивление падает.

• Тепло создает проблемы в полупроводниковых материалах, позволяя электронам разрывать ковалентные связи.

• При повышении температуры, электроны в полупроводниковом материале дрейфуют от одного атома к другому.

• Дырка представляет собой отсутствие электрона в валентной оболочке.

• Разность потенциалов, приложенная к чисто полупроводниковому материалу, создает поток электронов, движущийся к положительному выводу и поток дырок, движущийся к отрицательному выводу.

• Ток в полупроводниковых материалах состоит из направленного движения электронов и направленного движения дырок.

• Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводниковый материал.

• Трехвалентные материалы имеют атомы с тремя валентными электронами и используются для изготовления полупроводников р -типа.

• Пятивалентные материалы имеют атомы с пятью валентными электронами и используются для изготовления полупроводников n -типа.

• В полупроводнике n -типа электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями.

• В полупроводнике р -типа дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями.

• Полупроводниковые материалы n - и р -типа имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводниковые материалы.

Глава 19. САМОПРОВЕРКА

1. Что делает кремний более желательным для использования, чем германий?

2. Почему при образовании полупроводниковых материалов важна ковалентная связь?

3. Опишите, как перемещаются электроны в образце чистого кремния при комнатной температуре?

4. Опишите процесс превращения образца чистого кремния в полупроводник n -типа.

5. Опишите, что случится в образце полупроводника n -типа, когда к нему будет приложено напряжение?

ЦЕЛИ

После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:

• Описать, что такое диод на основе р-n перехода, и как его изготовляют.

• Дать определение обедненного слоя и потенциального барьера .

• Объяснить разницу между прямым смещением диода и обратным.

• Нарисовать схематическое обозначение диода и указать его электроды.

• Описать три конструкции диода.

• Перечислить чаще всего встречающиеся корпуса диодов.

• Проверить диоды с помощью омметра.

Диод — это простейший полупроводниковый прибор. Он позволяет току течь только в одном направлении. Знания, полученные при изучении диодов применимы также к другим типам полупроводниковых приборов.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным или трехвалентным материалом, легированный материал называется полупроводником n - или р -типа, в зависимости от того, какие носители являются основными. В целом образец полупроводника любого типа является нейтральным, так как каждый атом содержит одинаковое число протонов и электронов.

Независимые электрические заряды существуют в полупроводниковых материалах каждого типа, так как электроны могут свободно дрейфовать. Дрейфующие электроны и дырки называются подвижными зарядами . Кроме подвижных зарядов, каждый атом, который теряет электрон, считается положительным зарядом, так как он имеет больше протонов, чем электронов. Аналогично, каждый атом, который присоединяет электрон, имеет больше электронов, чем протонов и считается отрицательным зарядом. Как указывалось в главе 1 , эти заряженные атомы называются положительными и отрицательными ионами. В полупроводниковых материалах n - и р -типа всегда содержится равное количество подвижных и ионных зарядов.

Диодсоздается соединением двух полупроводников n- и р -типа (рис. 20-1). В месте контакта этих материалов образуется переход. Это устройство называется диодом на основе р-n перехода.

Рис. 20-1. Диод создается соединением вместе двух материалов р- и n-типа, образующих р-nпереход.

При формировании перехода подвижные заряды в его окрестности притягиваются к зарядам противоположного знака и дрейфуют по направлению к переходу. По мере накопления зарядов этот процесс усиливается. Некоторые электроны перемещаются через переход, заполняя дырки вблизи перехода в материале р -типа. В материале n -типа в области перехода электронов становится меньше. Эта область перехода, где концентрация электронов и дырок уменьшена, называется обедненным слоем. Он занимает небольшую область с каждой стороны перехода.

В обедненном слое нет основных носителей, и материалы n -типа и р -типа не являются больше электрически нейтральными. Материал п-типа становится положительно заряженным вблизи перехода, а материал р -типа — отрицательно заряженным.

Обедненный слой не может стать больше. Взаимодействие зарядов быстро ослабевает при увеличении расстояния, и слой остается малым. Размер слоя ограничен зарядами противоположного знака, расположенными по обе стороны перехода. Как только отрицательные заряды располагаются вдоль перехода, они отталкивают другие электроны и не дают им пересечь переход. Положительные заряды поглощают свободные электроны и также не дают им пересечь переход.

Эти заряды противоположного знака, выстроившиеся с двух сторон перехода, создают напряжение, называемое потенциальным барьером. Это напряжение может быть представлено как внешний источник тока, хотя существует только на р-n переходе (рис. 20-2).

Рис. 20-2. Потенциальный барьер, существующий вблизи р-nперехода.

Потенциальный барьер довольно мал, его величина составляет только несколько десятых долей вольта. Типичные значения потенциального барьера — 0,3 вольта для р-n перехода в германии, и 0,7 вольта для р-n перехода в кремнии. Потенциальный барьер проявляется, когда к р-n переходу прикладывается внешнее напряжение.