Техника полупроводниковых приборов: достоинства и недостатки

Техника полупроводниковых  приборов стала самостоятельной  областью электроники. Замена электронных  ламп полупроводниковыми приборами  успешно осуществлена во многих радиотехнических устройствах.   

 На всем  протяжении развития радиотехники  широко применялись кристаллические детекторы, представляющие собой полупроводниковые выпрямители для токов высокой частоты. Для выпрямления постоянного тока электрической сети используют купроксные и селеновые полупроводниковые выпрямители. Однако они непригодны для высоких частот.  

 Ещё в  1922  г. сотрудник Нижегородской радио лаборатории О.В. Лосев  получил генерирование электрических колебаний с помощью кристиллического детектора и сконструировал приёмник “Кристадин”, в котором за счет генерации собственных колебаний получалось усиление принимаемых сигналов. Он имел значительно большую чувствительность, нежели обычные приемники с кристаллическими детекторами. Открытие Лосева, к сожалению,  не получило должного развития в последующие годы. Полупроводниковые триоды, получившие названия транзисторов, предложили в 1948 г. американские ученые Бардин, Браттейн и Шокли. 

 По сравнению  с электронными лампами у полупроводниковых  приборов имеются существенные  достоинства:

1.    Малый вес и малые размеры.

2.    Отсутствие затраты энергии на накал.

3.    Большой срок службы (до десятков тысяч часов).

4.    Большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок).

5.    Различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полупроводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны.

6.    Маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях.  

 

Вместе с  тем полупроводниковые приборы  в настоящее время обладают следующими  недостатками:

1.    Параметры и характеристики отдельных экземпляров приборов данного типа имеют значительный разброс.

2.    Свойства приборов сильно зависят от температуры.

3.    Работа полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения.   

 Транзисторы  могут работать почти во всех  устройствах, в которых применяются  вакуумные лампы. В настоящее  время транзисторы успешно применяются  в усилителях, приёмниках, передатчиках, генераторах, измерительных приборах, импульсных схемах и во многих других устройствах.    

       Сначала надо познакомиться с механизмом проводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связей удерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примера рассмотрим кристалл кремния.

Кремний –  это четырехвалентный элемент. Это  означает, что во внешней оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительно слабо связанные с  ядром. Число ближайших соседей  каждого атома кремния также  равно четырем. Взаимодействие пары соседних атомов осуществляется с помощью парно-электронной связи, называемой ковалентной связью. В образовании этой связи от каждого атома участвуют по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов (коллективизируются кристаллом) и при своем движении большую часть времени проводят в пространстве между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связи с соседними, и любой валентный электрон может двигаться по одной из них. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальше вдоль всего кристалла.   Валентные электроны принадлежат всему кристаллу. Парно-электронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низкой температуре  не проводит электрический ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.     

 

Электронно-дырочный переход

Область на границе двух полупроводников с  различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или  р-n  переходом. Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т.е. представляет собой нелинейное сопротивление. Работа почти всех полупроводниковых приборов, применимых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов.  

 Пусть  внешнее напряжение отсутствует  (рис.1). Так как носители заряда  в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т.е. имеют некоторые тепловые скорости, то и происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Как и в любом другом случае диффузии, на пример наблюдающейся в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где их концентрация мала. Таким образом, из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки. Это диффузионное перемещение носителей показано на рисунке 1 сплошными стрелками. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух проводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд. Он образован положительно заряженными атомами донорной примеси и прошедшими в эту область дырками. Подобно этому в области p возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и пришедшими сюда электронами.

 
  Между образовавшимися объемными  зарядами возникают так называемая  контактная разность потенциалов  и электрическое поле. Направление вектора напряженности этого поля Е показано на рисунке 1.Перемещение неосновных носителей зарядов под действие поля, называемое дрейфом носителей. Каждую секунду через границу в противоположных направления диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.   

 Перемещение  носителей за счет диффузии  называют диффузным током, а  движение носителей под действием  поля представляет собой ток  проводимости. В установившемся режиме, т.е. при динамическом равновесии перехода, эти токи противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.  

Полупроводниковый диод, принцип действия и типы.   

        Электронно-дырочный переход представляет собой полупроводниковый диод. В p-n переходе носители заряда  образуется при введении в кристалл акцепторной или донорной примеси. Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и других веществ.

На рисунке 3 показано прямое (б) и обратное (в)     подсоеденение диода. Вольта-мперная характеристика при прямом и обратном соединении показана на рисунке 3.  

 
Нелинейные свойства диода видны  при рассмотрении его вольтамперной  характеристики. Прямой ток в десятки  миллиампер получается при прямом напряжении порядка десятых долей вольта. Поэтому прямое сопротивление имеет  величину не выше десятков Ом. Для более мощных диодов прямой ток составляет сотни миллиампер и больше при таком же малом напряжении, а R соответственно снижается до единиц Ом и меньше. Обратный ток при обратном напряжении до сотен вольт у диодов небольшой мощности составляет лишь единицы или десятки микроампер. Это соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм и больше. 

 Полупроводниковые  диоды подразделяются по многим  признакам. Прежде всего следует  различать точечные, плоскостные  и поликристаллические диоды.  У точечных диодов линейные размеры, определяющие площадь p-n перехода, такого же порядка как толщина перехода, или меньше ее. У плоскостных диодов эти размеры значительно больше толщины перехода.

 
  Точечные диоды имеют малую  емкость p-n перехода и поэтому применяются на любых  частотах вплоть до СВЧ. Но они могут пропускать токи не более единиц или нескольких десятков миллиампер. Плоскостные диоды в зависимости от площади перехода обладают емкостью в десятки пикофарад и более. Поэтому их применяют на частотах не более десятков килогерц. Допустимый ток в плоскостных диодах бывает от десятков миллиампер до сотен ампер и больше.  

 Основой  точечных и плоскостных диодов являются пластинки полупроводника, вырезанные из монокристалла, имеющего во всем своем объеме правильное кристаллическое строение. В качестве полупроводниковых веществ для точечных и плоскостных диодов применяют чаще всего германий и кремний, а в последнее время также и арсенид галлия и карбид кремния.   

 Поликристаллические  диоды имеют p-n переход, образованный полупроводниковыми слоями, состоящими из большого количества кристаллов малого размера, различно ориентированных друг относительно друга и поэтому не представляющих собой единого монокристалла. Эти диоды бывают селеновыми, меднозакисные (купроксные) и титановые.

 
Принцип устройства точечного диода показан на рисунке 3(а). В нем тонкая заостренная проволочка (игла) с нанесенной на нее примесью приваривается при помощи импульса тока к пластинке полупроводника с определенным типом электропроводности. При этом из иглы в основной полупроводник диффундируют примеси которые создают в нем область с другим типом проводимости. Это процесс наз. формовкой диода. Таким образом, около иглы получается мини p-n переход полусферической формы. Следовательно, принципиальной разницы между точечными и плоскостными диодами нет. В последнее время появились еще так называемые микро плоскостные или микросплавные диоды, которые имеют несколько больший по плоскости p-n переход, чем точечные диоды(б).

 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Плоскостные диоды изготавливаются, главным  образом, методами сплавления диффузии. Для примера на рисунке 4.а) показан принцип устройства сплавного германиевого диода. В пластинку германия n-типа вплавляют при температуре около 500 градусов каплю индия, которая сплавляясь с германием, образует слой германия p-типа.

Область с  электропроводностью p-типа имеет более высокую концентрацию примеси, нежели основная пластинка сравнительно высокоомного германия, и поэтому является эмитером. К основной пластинке германия и к индию припаиваются выводные проволочки, обычно из никеля. Если за исходный материал взят высокоомный германий p-типа, то в него вплавляют сурьму и тогда получается эмитерная область n-типа.  

 Следует  отметить, что сплавным методом  получают так называемые резкие  или ступенчатые p-n переходы, в которых толщина области изменения концентраци примесей значительно меньше толщины области объёмных зарядов, существующих в переходе.  

Типы диодов.  

 По назначению  полупроводниковые диоды подразделяются  на выпрямительные диоды малой,  средней и большой мощности, импульсные  диоды и полупроводниковые стабилитроны.  

 Выпрямительные  диоды малой мощности. К ним  относятся диоды, поставляемые  промышленностью на прямой ток  до 300мА. Справочным параметром выпрямительных  диодов малой мощности является  допустимый выпрямительный ток  (допустимой среднее значение  прямого тока), который определяет в заданном диапазоне температур допустимое среднее за период значение длительно протекающих через диод импульсов прямого тока синусоидальной формы при паузах в 180 (полупериод) и частоте 50 Гц. Максимальное обратное напряжения этих диодов лежит в диапазоне от десятков до 1200В.

Выпрямительные  диоды средней мощности. К этому  типу относятся диоды, допустимое среднее значение прямого тока которых лежит в пределах 300мА-10мА. Большой прямой ток этих по сравнению с маломощными диодами достигается увеличением размеров кристалла, в частности рабочей площади p-n перехода. Диоды средней мощности выпускаются преимущественно кремниевыми. В связи с этим обратный ток этих диодов при сравнительно большой плоскости p-n перехода достаточно мал(несколько десятков микроампер). Теплота, выделяемая в кристалле от протекания прямого и обратного токов в диодах средней мощности, уже не может быть рассеяна корпусом прибора.

Мощные (силовые) диоды. К данному типа относятся  диоды на токи от 10А и выше. Промышленность выпускает силовые диоды на токи 10,16,25,40 и т.д. и обратные напряжения до3500 В. Силовые диоды имеют градацию по частоте охватывают частотный диапазон до десятков килогерц. Мощные диоды изготовляют преимущественно из кремния. Кремниевая пластинка с p-n переходом, создаваемым диффузным методом, для таких диодов представляет собой диск диаметром 10-100мм и толщиной 0,3-0,6 мм.