Тема:Напівпровідники. Напівпровідникові діоди

1.Вступ до розділу «Основи електроніки та автоматики»

2. Напівпровідники та їх властивості

3. Напівпровідникові діоди

Вступ до розділу "Основи електроніки та автоматики".

Електроніка як наука займається вивченням електронних явищ і процесів, пов’язаних зі зміною концентрації і переміщенням заряджених часток в різних середовищах (у вакуумі, газах, рідинах, твердих тілах) і умовах (при різній температурі, під впливом електричних і магнітних полів).

Задачею електроніки як галузі техніки (технічної електроніки) є розробка, виробництво і експлуатація електронних приладів і пристроїв самого різного призначення.

Можна назвати декілька основних напрямів, що характеризують сфери прикладення технічної електроніки. Кожний з цих напрямів, в свою чергу, має численні розгалуження. Це зв’язок, радіоелектронна апаратура широкого споживання, промислова електроніка (управління виробничими процесами, вимірювальна апаратура, пристрої електроживлення, промислове телебачення, автоматика, телеуправління, медична апаратура (діагностична, лікувальна, протезування і ін.), електротехнічне і енергетичне обладнання), спеціальна техніка (апаратура, що застосовується на транспорті, радіолокація і радіонавігація, інфрачервона техніка, обладнання космічних апаратів, оптичні квантові генератори, ультразвукова локація, ядерна електроніка, біологічна електроніка і т.д.), обчислювальна техніка і технічна кібернетики (електронні цифрові та аналогові обчислювальні машини, персональні мікрокомп'ютери, автоматизовані системи управління, автоматичні інформаційні системи, електронні навчальні і контролюючі машини і т.д.).

У вивчення властивостей заряджених частинок та їх практичне застосування суттєвий внесок внесли праці фізиків багатьох країн. Теоретичною базою радіотехніки стали дослідження англійського фізика Дж. Максвела, який в 1873 р. своїми рівняннями обґрунтував факт наявності електромагнітних хвиль, раніше передбачених англійцем М. Фарадеєм. Теоретичні висновки Максвела експериментально підтвердив німецький вчений Г. Герц. Грандіозним поштовхом до розвитку радіоелектроніки послужило відкриття російського вченого А.С. Попова. 7 травня 1895 р. на засіданні Фізичного відділу російського фізико-хімічного товариства в Петербурзі він продемонстрував створений ним перший в світі прилад для прийому електромагнітних коливань (радіоприймач). Саме потреби радіозв’язку обумовили бурхливий розвиток електронних приладів. В 1904 р. з’являється перша електронна лампа. В 1922 році радянський вчений Лосєв довів можливість використання в електронних приладах напівпровідникових матеріалів, однак перші напівпровідникові прилади виявились не конкурентноздатними порівняно з електронними лампами. Практичне застосування напівпровідників в електронній техніці розпочинається з 40-х років 20 ст., коли американські вчені Дж. Бардін, У. Браттейн та У. Шоклі детально вивчили властивості і розробили теорію p-n переходу. В 1948 р. вони створили перший напівпровідниковий підсилювальний елемент – транзистор, за що в 1958 р. були удостоєні Нобелівської премії. Впровадження напівпровідників в електроніку привело до колосального прискорення її розвитку. Найважливішу роль відіграли напівпровідники в розвитку електронно-обчислювальної техніки. Перехід на напівпровідникову елементну базу призвів до практично повного витіснення електронних ламп і дозволив різко зменшити розміри і енергоємність електронної апаратури, підвищивши її надійність. Розвиток електронно-обчислювальної техніки (розширення функціональних можливостей, збільшення швидкодії і ємності пам’яті) вимагало подальшої мініатюризації її елементної бази. В 60-х роках 20 ст. з’явились перші інтегральні мікросхеми, а в 70-х роках – великі інтегральні мікросхеми. В результаті мікромініатюризації за останні 35 років при збільшенні швидкодії і зменшенні енергоємності ЕОМ до 10000 разів їх габаритні розміри скоротились в 300 тис. разів. Перспективними напрямками розвитку електроніки залишаються застосування надвеликих інтегральних мікросхем (так, наприклад, мікросхема процесора Intel Pentium 4 містить на одній напівпровідниковій підложці 20 млн. транзисторів), а також впровадження принципово нових функціональних елементів з використанням оптоелектроніки, біоелектроніки.

2.Напівпровідники та їх властивості

 Напівпровідники посідають проміжне місце між металами (провідниками) і діелектриками (ізоляторами). До на­півпровідників належать хімічні елементи кремній (Si), германій (Ge), а також оксиди (Си₂О, ZпO і а інші). Широко використовуються кремній та гер­маній. Основою напівпровідникової електроніки є елементи, які виробляють на базі природних напівпровідників: германію, кремнію, селену, арсеніду галію тощо. 

{youtube}jUkubR8wv9I{/youtube}

Власна провідність. В основі роботи напівпровідникових приладів лежить той факт, що вивільнення електрона супроводжується утворенням дірки, причому дірка не є постійною приналежністю одного атому – при переході на її місце електрона з сусіднього атому вільне місце з’являється тепер в іншому зв’язку, тобто разом з хаотичним рухом вільних електронів здійснюється і хаотичний рух дірок, який супроводжується переміщенням валентних електронів з одного міжатомного зв’язку (ковалентного зв’язку) в інший. Якщо помістити напівпровідник в електричне поле, в ньому хаотичний рух перетворюється у впорядкований – рух вільних електронів в зоні провідності і рух електронів в валентній зоні, тобто дірок. Тільки направлений рух дірок зворотно руху вільних електронів. Отже носіями електричного струму в напівпровідниках є як від’ємні заряди – електрони, так і позитивні заряди – дірки (оскільки відсутність від’ємного заряду еквівалентно присутності додатного). Провідність, що зумовлена рухом електронів, називається електронною і позначається буквою n (n–провідність). Провідність, що зумовлена рухом дірок, називається дірковою і позначається буквою p (p–провідність).

Домішкова провідність.Чистий напівпровідник має однакові степені електронної і діркової провідності. Для збільшення провідності  додатково збільшують кількість вільних носіїв заряду. Цей процес називають легуванням. Атом кремнію на зовнішній орбіті має чотири валентних елек­трони, що зв'язані з чотирма електронами інших атомів кремнію. Цей ідеальний кристал кремнію не проводить електричний струм, оскільки не має вільних носіїв заряду. Кристал кремнію можна зробити провідним доданням доміш­ку інших хімічних елементів із сусідніх груп. Звичайно, використовують­ся елементи п'ятої групи (сурма, фосфор) або елементи третьої групи (галій, індій). Якщо використати фосфор, що має п'ять електронів на зовнішній орбіті, то кожний атом фосфору матиме один вільний елект­рон. Тобто матеріал буде мати електронну провідність, або електро­провідність п-типу. Якщо напівпровідник легувати донорними домішками, то збільшується кількість вільних електронів і, відповідно, він характеризується електронною провідністю (п-провідність). Домішки, що віддають початковому матеріалу електрони, називають­ся донорами. Якщо взяти домішок з елементів третьої групи, то напівпро­відник буде мати діркову провідність, або електропровідність р-типу. У випадку легування акцепторними домішками збільшується кількість дірок, тобто визначальною є діркова провідність (р-провідність). Якщо домішки призводять до виникнення дірок, вони на­зиваються акцепторами.

Отже, в напівпровідникових елементах електричний струм може утворюватись двома носіями заряду -електронами та дірками. Для роботи напівпровідникового елемента необхідна наявність двох зон з різним типом провідностей. Це приводить до утворення електронно-діркового переходу (p-n-переходу), який визначає характеристику цих елементів. На межі цих зон, внаслідок дифузії електронів та дірок з однієї зони в іншу, утворюється шар без вільних носіїв заряду (запірний шар).

Рис 1.Утворення р-п-переходу (а) та потенціального бар 'єра (б)

Цей шар має значний електричний опір і характеризується контактною різницею потенціалів (рис. 1,6), яку називають потенціальним бар'єром. Ширина цього шару становить декілька мікрометрів.

{youtube}dACI6cPDHBQ{/youtube}

3. Напівпровідникові діоди

Одним з найпоширеніших елементів електроніки є діод, робота якого визначається властивостями p-n-переходу, що керується зовнішнім електричним полем (прикладеною напругою між зоною з p-провідністю та зоною з n-провідністю.

У залежності від способу отримання електроно-діркових переходів напівпровідникові діоди діляться на :

точкові, у яких використовується пластинка германію або кремнію з електропровідністю n-типу, завтовшки 0,1…0,6 мм і площею 0,5...1,5 мм²; з пластинкою стикається загострений провідник з нанесеною на вістря домішкою. При цьому з вістря в основний напівпровідник дифундують домішки, які створюють область з іншим типом електропровідності. Таким чином, біля вістря утворюється мініатюрний р-n перехід півсферичної форми;

планарні, у яких р-n перехід утворюється двома напівпровідниками з різними типами електропровідності, причому площа переходу у різних типів діодів лежить в межах від сотих долей квадратного міліметра до декількох десятків квадратних сантиметрів (силові діоди). Площинні діоди виготовляються методами сплавлення (вплавлення) або дифузії;

діод Шотткі (названий на честь імені німецького фізика Шотткі Вальтера, також відомий, як «діод з гарячими носіями», є напівпровідниковим діодом з низьким значенням падіння прямої напруги, та дуже швидким перемиканням. Діоди Шотткі використовують перехід метал-напівпровідник, як бар'єр Шотткі, (замість p-n переходу як у звичайних діодів);

Основними методами отримання p-n переходів для спрямляючих діодів є сплавлення і дифузія.

Електронно-дірковий перехід утворюється виплавлянням алюмінію в кремній. Пластинка кремнію з p-n переходом припаюється до кристалоутримовача, що є одночасно і основою корпусу діода. До кристалоутримовача приварюється корпус зі скляним ізолятором, через який проходить алюмінієвий вивід.У дифузійних діодах р-п перехід створюється при високій температурі дифузією домішку в кремній або германій з середи, що містить пари домішкового матеріалу. Конструкції дифузійних і сплавних спрямляючих діодів аналогічні. 

 За призначенням напівпровідникові діоди поділяють на:

 випрямні напівпровідникові діоди, призначені для перетворення змінного струму в пульсуючий;

імпульсні — напівпровідникові діоди, що мають малу тривалість перехідних процесів в імпульсних режимах роботи;

 варикапи (діод Джона Джеумма) — напівпровідникові діоди, ємність яких керується зворотною напругою, і які призначені для застосування як елементи з електрично керованою ємністю;

 стабілітрони (діод Зенера) — напівпровідникові діоди, що працюють в режимі зворотного пробою та використовується як джерело опорної напруги;

 детекторні — напівпровідникові діоди, призначений для детектування сигналу;

 детекторні НВЧ — напівпровідникові діоди, призначені для детектування надвисокочастотного сигналу;

 параметричні — варикапи, що призначені для застосування в діапазоні надвисоких частот у параметричних підсилювачах,

 змішувальні — напівпровідникові діоди, призначені для перетворення високочастотних сигналів у сигнал проміжної частоти.

за матеріалом напівпровідникові діоди бувають: германієві, кремнієві, арсенідо-галієві.

за фізичними процесами, на використанні яких базується робота діода:

тунельні (діоди Лео Есакі) — напівпровідникові елементи електричного кола з нелінійною вольт-амперною характеристикою, на якій існує ділянка з від'ємною диференційною провідністю, наявність якої базується на кванотовомеханічних ефектах. Застосовуються як підсилювачі, генератори тощо;

лавинно-пролітні напівпровідникові діоди, що працюють в режимі лавинного розмноження носіїв заряду при зворотному зміщенні електричного переходу та призначені для генерування надвисокочастотних коливань

фотодіоди — це приймачі оптичного випромінювання, які перетворюють світло, що падає на його фоточутливу область в електричний заряд за рахунок процесів в p-n переході. 

світлодіоди  — напівпровідникові пристрої, що випромінюють некогерентне світло, при пропусканні через них електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). 

діоди Ганна — тип напівпровідникових діодів, що використовується для генерації та перетворення коливань у діапазоні НВЧ. На відміну від інших типівдіодів, принцип дії діода Ганна заснований не на властивостях p-n переходів, а на власних об'ємних властивостях напівпровідника.

Основні параметри, за якими вибирається діод: Iпр.доп — допустиме значення струму через діод; U_зв.доп -- допустиме значення напруги,що прикладається до діода у зворотному напрямі; Ізв - - значення зворотного струму.

Напівпровідниковим діодом називається прилад, що має один електроно-дірковий перехід і два електроди. Електрод, який під 'єднаний до області з p-провідністю називають анодом, а електрод, який під 'єднаний до області з n-провідністю називають катодом. Якщо додатний потенціал напруги прикласти до анода, а від'ємний -до катода, то таку напругу

називають прямою, в протилежному випадку — зворотною (рис. 2, а).

Рис. 2. Напівпровідниковий діод: структура (а), схемне зображення (б) та вольт-амперна характеристика (в)

Характеристика прямого включення діода. Зі збільшенням прямої напруги Uпр від нуля до значення, яке дорівнює величині потенціального бар'єра (таке значення називають напругою відкриття U_від), струм діода поступово наростає й зумовлений, в основному, неосновними носіями заряду. Якщо ж значення Unp > U_від, то це приводить до зникнення потенціального бар'єру, внаслідок чого вільні носії заряду переходять з однієї зони в іншу й струм починає стрімко наростати (рис.2, в). Значення напруги U_від залежить від матеріалу напівпровідника і знаходиться в межах (0,4-1,2) В. Такий стан діода називають відкритим, тобто через діод проходить електричний струм, а його опір знаходиться в межах від 0,2 Ом до 1 Ом, залежно від типу елемента. На практиці опір діода в стані провідності приймають рівним нулеві.

{youtube}p_j7X71fL2E{/youtube}

Характеристика зворотного включення діода. Якщо до діода прикласти напругу зворотної полярності, то ширина запірної області збільшується, вільні носії заряду не мають змоги переходити з однієї зони в іншу і струм через діод не проходить. В цьому стані його електричний опір значно збільшується (> 10³ Ом) і такий стан діода називають закритим. В закритому стані через діод проходить зворотний струм І_зв, який зумовлений тепловим дрейфом неосновних носіїв заряду, але його величина в сотні разів менша від Іпр і практично ним можна знехтувати. У випадку, коли прикладена зворотна напруга є більшою від значення U_зв.доп, відбувається пробивання р-п переходу і зворотний струм стрімко наростає. Це призводить до перегрівання діода й теплового пробою переходу (рис.2, в), тобто відбувається руйнування р-п переходу.

Найбільше застосування отримали германієві і кремнієві напівпровідникові діоди.
Зокрема, спрямляючі діоди використовуються в таких широко поширених пристроях, як спрямовувачі змінного струму, що забезпечують електроживленням переважну більшість сучасних електронних схем (рис. 1). Широке поширення в сучасній напівпровідниковій техніці отримали кремнієві стабілітрони, призначені для стабілізації напруги (рис. 2), варикапи, у яких ємність p-n переходу змінюється при зміні підведеної до них напруги (рис. 3), тунельні діоди (що мають на вольт-амперній характеристиці ділянку з від’ємним опором) (рис. 4), швидкодіючі імпульсні діоди (для роботи в схемах з імпульсами мікросекундного і наносекундного діапазону), різноманітні діоди надвисокого частотного (СВЧ) діапазону (для роботи як модуляторів, змішувачів, дільників і множників частоти), фотодіоди, які реагують на світлове опромінення (рис. 5), світло діоди, призначені для безпосереднього перетворення електричної енергії в енергію світлового випромінення (рис. 6). Умовні графічні позначення напівпровідникових діодів:

Спрямляючі діоди У спрямовувачах змінної напруги найбільше застосування знаходять германієві і кремнієві напівпровідникові діоди.

Напівпровідникові стабілітрони — це елементи, для яких робочоює зворотна частина вольт-амперної характеристики, що забезпечує стабілізацію напруги в пристроях стабілізації (рис.З). Якщо напруга на навантаженні дорівнює U_зв.доп, напруга стабілітрона U_ст майже не змінюється при зміні струму в широкому діапазоні. Цю властивість стабілітрона використовують для стабілізації напруги на навантаженні. В пристроях стабілізації стабілітрон вмикається на зворотну напругу, тобто додатній потенціал, кола подається на катод.

Основними параметрами стабілітрона є напруга стабілізації Uст мінімальний струм стабілізації I_{ст мін} та максимальний струм стабілізації I_{ст мах.} Важливим параметром для стабілітрона є також динамічний опір, який характеризує зміну напруги стабілітрона при зміні його струму Rд

Сучасні стабілітрони випускають на напругу стабілізації в межах (1-1000)В при максимальному струмі стабілізації 20 А.

Тунельні діоди це напівпровідникові діоди, в яких використовується тунельний механізм переносу носіїв заряду через p–n перехід і які характеризуються від'ємним динамічним опором (штрихова ділянка вольт-амперної характеристики) . Принцип дії цих приладів ґрунтується на явищі тунельного ефекту, відкритого японським фізиком Л. Есакі . В генераторах високої частоти та імпульсних перемикачах використовуються такі діоди. Основними їх величинами є пікове значення струму Іпік та відношення пікового значення до мінімального (струму впадини) Іпік / Івпад

Рис. Схемне зображення (a) та вольт-амперна характеристика (б) тунельного діода.

Випромінюючі діоди (світлодіоди) є напівпровідникові діоди, в яких електрична енергія перетворюється в світлову (потік квантів світла). При зустрічі електронів і дірок їх заряди компенсуються (рекомбінують) і ці носії зарядів зникають. При рекомбінації виділяється енергія .При прикладанні прямої напруги до світлодіода  випромінюється кванти світла. Світлодіоди виготовляють з таких напівпровідників на основі карбіду кремнію (SiC), галію (Ga), миш’яку (As) в яких рекомбінація є випромінювальною і супроводжується випромінюванням в інфрачервоній, видимій або ультрафіолетовій невидимій частинах спектру. Найбільше розповсюдження мають світлодіоди з жовтим, червоним, зеленим кольором випромінювання. 

Фотодіоди — це напівпровідникові елементи, в яких використовуються електричні та оптичні явища. Під час освітлення фотодіода  виникає фото-ЕРС, величина якої залежить від напівпровідникового матеріалу (0,5-0,87) В. Фотодіод являє собою напівпровідниковий діод, зворотний струм якого залежить від освітленості р-n переходу.  Фотодіод виконаний так, що його р-n перехід однією стороною звернений до скляного вікна, через яке надходить світло, і захищений від впливу світла з інших сторін. При освітленні фотодіода з’являється додаткове число електронів і дірок, внаслідок чого збільшується перехід неосновних носіїв заряду: електронів з р-області в n-область і дірок в зворотному напрямі. Це призводить до збільшення струму в колі. Фотодіод можна включати в схеми, як із зовнішнім джерелом живлення, так і без нього. Режим роботи фотодіода із зовнішнім джерелом живлення називають фотодіодним, а без зовнішнього джерела – вентильним. У вентильному режимі у фотодіоді під дією світлового потоку виникає ЕРС, тому він не потребує стороннього джерела напруги.

Варикапи це напівпровідникові діоди, в яких використовується бар’єрна ємність закритого p–n переходу, яка залежить від величини прикладеної до діода зворотної напруги. При зворотній напрузі потенціальний бар’єр і внутрішнє електричне поле збільшується. Зовнішня зворотна напруга виштовхує електрони в товщу n–області, а дірки – в товщу p–області від зони p–n переходу. В результаті розширюється область p–n переходу тим більше, чим вища зворотна напруга. Отже бар’єрна ємність зменшується. Основне застосування варикапу – електронна настройка коливальних контурів

На даний час, крім описаних елементів, використовуються напівпровідникові елементи, в яких вольт-амперна характеристика керується магнетним полем (магнетодіоди), тиском або деформацією (тензодіоди).

Маркування діодів :

1 символ —літера або цифра, що вказує на матеріал напівпровідника Г(1)— германій; К(2) — кремній:

2 символ — літера, що визначає клас діода (Д — випростувальні, універсальні, імпульсні діоди; В — варікапи; С — стабілітрони; Ц—випростувальні стовпи, блоки; А — високочастотні діоди; И— тунельні діоди: Ф — фотодіоди; Л— світлодіоди;

3 символ — цифра, яка вказує на призначення: 1,2 — випростувальні; З — магнетодіоди; 4 — універсальні тощо;

4, 5 символи — двозначне число, що вказує на порядковий номер розробки (в стабілітронах — напругу стабілізації);

6 символ — літера, яка вказує на особливість параметрів.

Наприклад: КД108Б - кремнієвий діод випростувальний, номер

розробки 08, група параметрів Б; 2С156А — кремнієвий стабілітрон, напруга стабілізації 5,6 В, група параметрів А.