Какие бывают полупроводниковые приборы

Тема 2.1. Полупроводниковые приборы

Из курса физики вы знаете, что существуют проводники, диэлектрики и полупроводники . Для проводников характерна проводимость 10 2 -10 8 См/см 3 (См – сименс = 1/Ом), для диэлектриков – 10 -10 См/см 3 и меньше. Промежуток от 10 -10 до 10 2 См/см 3 занимают полупроводники. Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание электропроводности с ростом температуры.

Полупроводниковыми приборами называют электропреобразова-тельные приборы, принцип действия которых основан на явлениях, происходящих в самом полупроводнике или на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости.

К полупроводниковым приборам можно отнести:

— стабилитроны или опорные диоды

— биполярные и полевые транзисторы и др.

Для изготовления реальных полупроводниковых приборов, как правило, используют германий, кремний и арсенид галлия.

Действие полупроводниковых приборов основано на электронных процессах, протекающих в кристаллах полупроводников. Основным полупроводниковым материалом в настоящее время является кристаллический кремний.

Кристаллы кремния в обычных условиях являются диэлектриками. Однако, если в них ввести небольшое количество пятивалентных элементов (сурьма, мышьяк), в их кристаллической решетке образуются свободные электроны и кристаллы становятся проводниками. Такая проводимость кристаллов называется электронной, или отрицательной, или негативной (negative), или проводимостью n-типа.

Введение в кристалл кремния трехвалентных примесей (индий, бор) приводит к тому, что в кристалле возникает дефицит электронов — так называемые дырки, которые также могут переносить электрические заряды. Такая проводимость называется дырочной, или положительной (positive), или проводимостью р-типа.

Полупроводниковые приборы подразделяются по своей структуре на дискретные и интегральные. К дискретным полупроводниковым приборам относятся диоды, транзисторы, фотоэлементы, а также полупроводниковые приборы, управляемые внешними факторами, — фоторезисторы, фотодиоды, фототранзисторы, терморезисторы, варисторы, варикапы, которые используются в качестве датчиков физических параметров. К интегральным приборам относятся интегральные микросхемы и микропроцессоры.

Диоды. Различают выпрямительные и излучающие диоды, фотодиоды.

Выпрямительные диоды представляют собой полупроводниковые приборы, состоящие из двух слоев полупроводникового материала с электропроводностью типа n и p. Граница между этими слоями обладает способностью пропускать электрический ток только в одном направлении. Такие диоды предназначены для преобразования переменного тока в постоянный.

Излучающие диоды представляют собой диоды, способные излучать свет определенного спектрального состава при прохождении через них тока. Излучающие диоды применяют в качестве индикаторов режимов работы аппаратуры, часов, микрокалькуляторов.

Фотодиоды обладают свойством пропускать или не пропускать электрический ток в зависимости от уровня освещения. Используются для автоматического отключения уличного освещения, для подсчета деталей на конвейере, а также в турникетах.

Транзисторы — это полупроводниковые приборы, предназначенные для усиления, генерирования и преобразования электрических колебаний.

Транзисторы в отличие от диодов состоят из трех кристаллов типа р-n-р или n-р-n и имеют три вывода.

Полупроводниковые приборы и их применение

Открытия фундаментальных физических законов электромагнетизма в ХIХ веке дали толчок к развитию физической электроники — области физики, в которой исследователи разных стран детально изучили электронные процессы, связанные с перемещением заряженных частиц (электронов и ионов) во всех доступных средах: в различных газах, вакууме, твёрдых телах (металлах, полупроводниках, диэлектриках) и в жидкостях.

Техническая электроника — область инженерных знаний, базируясь на полученных фундаментальных знаниях, стала заниматься проектированием (изобретением) и производством электронных приборов и устройств для различных областей человеческой деятельности. Основой современного приборостроения являются полупроводниковые приборы, работа которых основана на удивительных по своему разнообразию свойствах полупроводниковых материалов.

Что такое полупроводник?

Твердые кристаллические тела по способности проводить электрический ток делятся на три вида: металлы, диэлектрики и полупроводники.

Металлы

Эти материалы обладают самыми высокими проводящими свойствами (низким сопротивлением), так как внутри кристаллической решетки всегда присутствует большая концентрация свободных электронов, которые под действием электрического поля мгновенно приходят в движение. Воздействие внешних факторов влияет на проводимость металлов следующим образом:

Температура. При её повышении удельная проводимость σ (величина обратная сопротивлению) снижается, при понижении — растёт. Так, при приближении температуры к абсолютному нулю (-273 о К) многие металлы становятся сверхпроводниками, их сопротивление стремится к нулю.
Свет. Воздействие видимого светового излучения, инфракрасного и ультрафиолетового практически не оказывает влияния на проводимость.

Примеры металлов, часто используемых в электронике:

Au — золото;
Ag — серебро;
Cu — медь;
Fe — железо;
Al — алюминий;
Pb — свинец;
Sn — олово.

Проводимость металлов σм при Т=300 о К находится в диапазоне 10 6 -10 8 Ом -1 см -1 .

Диэлектрики

В диэлектриках свободные электроны практически отсутствуют, поэтому при воздействии электрического поля ток близок к нулю. Ни изменение температуры, ни воздействие излучения не приводят к заметному отклику в виде всплесков параметра σ. Примеры диэлектриков: кварц SiO2, стёкла, фарфор, мрамор, эбонит, пластмассы. Проводимость диэлектриков σд находится в диапазоне от 10 -7 до 10 -17 Ом -1 см -1 .

Рис. Проводники и диэлектрики

Полупроводники

В этих веществах свободные электроны также присутствуют, но в значительно меньшем количестве, чем в металлах, поэтому собственная удельная проводимость σ не очень высокая. Внешние факторы – свет, температура, механическое воздействие, внедрение в чистое вещество специальных примесей (доноров или акцепторов) – резко меняют концентрацию свободных электронов:

Температура. С ростом температуры удельная проводимость σ растет экспоненциально. Понижение температуры приводит к резкому падению σ вплоть до значений, свойственных диэлектрикам.
Воздействие видимого света и излучения других длин волн (от УФ до ИК диапазонов) также вызывает значительные изменения в концентрации электронов проводимости и величины σ.
Внедрение специальных примесей (доноров или акцепторов) в чистые полупроводники влияет не только на величину σ, но и на тип проводимости полупроводника: будет он p-типа или n-типа.

Полупроводниковые материалы

Таким образом, полупроводники ввиду своих удивительных электропроводных свойств занимают промежуточную нишу между металлами и диэлектриками, что позволило создать физикам и электронщикам большое количество активных элементов электронных схем, фото- и термодатчиков, СВЧ-приборов, микросхем и микроконтроллеров. Проводимость σ таких материалов лежит в диапазоне 10 -8 -10 6 Ом -1 см -1 .

Полупроводниковыми свойствами обладают как отдельные представители таблицы Менделеева, так и различные соединения (сплавы) различных веществ:

К одноатомным, элементарным полупроводникам относятся: германий — Ge, кремний — Si, углерод — С, серое олово —α-Sn, селен — Se, теллур — Te, бор — B. Важнейшим на сегодня для микроэлектроники является кремний — базовый материал для микросхем, микроконтроллеров, компьютерной памяти, солнечных батарей.
Соединения А III В V . Элемент А находится в третьей группе таблицы Менделеева, а элемент В в пятой группе. Представители этой группы: арсенид галлия — GaAs, антимонид индия — InSb, фосфид индия — InP, нитрид галлия — GaN.
Соединения представителей шестой группы (кислород, сера, селен, теллур) с элементами различных групп, переходными и редкоземельными металлами. Самые востребованные соединения: теллурид кадмия — CdTe, сульфид кадмия — CdS, теллурид цинка — ZnTe, сульфид цинка — ZnS, оксид цинка — ZnO, селенид цинка — ZnSe.
Соединения из трёх элементов различных групп А III В IV С V 2: диарсенид цинка-олова — ZnSnAs2, диарсенид кадмия-олова — CdSnAs2, диселенид меди-индия — CuInSe2, диарсенид кадмия-германия — CdGeAs2.
Карбид кремния — SiC. Это единственная химическая комбинация элементов IV группы таблицы Менделеева.

Что такое полупроводниковые приборы

Полупроводниковыми приборами (ПП) называют широкий спектр твердотельных приборов, действие которых основано на электронных процессах в различных полупроводниках (Si, Ge, GaAs и т.д.). ПП стали интенсивно применяться разработчиками электронных схем с конца 1940-х годов для:

Генерирования электрических сигналов.
Усиления электрических сигналов (транзисторы).
Коммутации электрических цепей.
Преобразования сигналов (по типу тока, частоте и т.д.).
Преобразования одних видов энергии в другой (термоэлементы, фотоэлементы, светодиоды).

ПП по структурному фактору делятся на два основных вида: дискретные и интегральные. К дискретным относят одноэлементные приборы, предназначенные для выполнения определённой функции в схеме устройства: усиления, выпрямления, стабилизации и т.д. К интегральным ПП относятся интегральные схемы и микропроцессоры, состоящие из большого числа дискретных элементов, расположенных на одной полупроводниковой подложке. Интегральный вариант позволяет электронщикам программировать выполнение различных параметров функционирования ПП, используя одну микросхему.

Различные типы полупроводниковых приборов и их применение

По количеству контактных выводов, которые выходят из корпуса прибора для последующего впаивания в электронную схему, ПП подразделяются на двухконтактные, трёхконтактные, четырёхконтактные и многоконтактные (микросхемы).

Двухконтактные полупроводниковые приборы

На основе полупроводников без p-n переходов изготавливаются резисторы (сопротивления) и солнечные батареи:

Линейный резистор — является пассивным элементом в интегральных схемах. Удельное сопротивление почти не зависит от тока и напряжения.
Варистор — сопротивление, зависящее от величины приложенного напряжения.
Терморезистор — удельное сопротивление меняется в зависимости от температуры, что позволяет создавать устройства контроля и регулирования температурным режимом.
Тензорезистор — сопротивление изменяется при механическом воздействии.
Фоторезистор — сопротивление меняет свою величину в зависимости от величины светового потока (освещённости).
Солнечная батарея — состоит из большого числа фотоэлементов, преобразующих солнечную энергию в постоянный электрический ток.

Гораздо больше двухконтактных ПП создано на базе физических свойств в p-n переходах:

Диод — в этом элементе используется основное свойство p-n перехода, называемое односторонней проводимостью, то есть ощутимый ток может протекать (диод открыт) только при подаче плюса на p-область и минуса на n-область.
Стабилитрон — другое название по имени изобретателя — диод Зенера, работает при обратном напряжении, в режиме пробоя. Применяется в схемах стабилизации напряжения.
Варикап — специальный диод, использующий характеристики барьерной ёмкости p-n перехода, когда на него подано обратное напряжение. Применяются в фазовращателях, частотно-избирательных схемах, для умножения и деления частот.
Диод Шоттки — полное название диод с барьером Шоттки (изобретатель — германский физик Шоттки). Не использует p-n переход. В данном случае реализуются свойства перехода металл-полупроводник.
ДИАК (англ. DIAC — Diode for Alternative Current) — структура из нескольких чередующихся p- и n- областей. ДИАК служит для запуска других ключевых элементов, например, симисторов в импульсных источниках питания компактных люминесцентных ламп.
PIN-диод — представляет собой структуру, состоящую из p- и n- области, разделённых слоем чистого, нелегированного полупроводника (i — intrinsic). Применяются в аттенюаторах, фотодетекторах, в схемах высоковольтной электроники.
ЛПД (IMPATT) — лавинно-пролётный диод, работающий в режиме пробоя, когда происходит лавинное умножение заряженных частиц. Основное применение — генерация СВЧ колебаний.
Туннельный диод — другое название — диод Эсаки, по имени японского изобретателя прибора, представляющего собой p-n переход с высоколегированными p- и n- областями, в результате чего при подаче напряжения в прямом направлении появляется участок характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением, который обусловлен квантовым механизмом туннелирования. Востребованы при конструировании высокочастотных генераторов, переключателей, предварительных усилителей.
Диод Ганна — изобретён Дж. Ганном в 1963 г. В приборе отсутствует p-n переход. На базовый низколегированный материал — арсенид галлия GaAS – наращиваются с двух сторон высоколегированные n+-области. При определённых значениях напряжений возникает участок вольтамперной характеристики с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Аналогично туннельному, диод Ганна применяется для конструирования СВЧ-генераторов в широком диапазоне от 10 ГГц вплоть до ТГц.
Фотодиод — ПП, реагирующий на световое излучение, падающее на p-n переход, то есть преобразующий энергию фотонов в появление дополнительных электрических зарядов. На базе фотодиодов могут создаваться элементы солнечных батарей и различные варианты фотодатчиков (фотоприёмников).
Светодиод (LED, light emitted diode) — ПП на основе p-n перехода, который генерирует оптическое излучение, когда через переход течёт ток в прямом направлении. С помощью светодиодов в последние 10-15 лет произошла революция в областях наружного освещения и внутреннего освещения, где практически ушли в прошлое лампы накаливания, газоразрядные и прочие отжившие свой век стеклянные приборы освещения.
Лазерный диод — это полупроводниковый лазер, базовым элементом которого является светодиод определённого «цвета» (длины изучаемой волны). Для получения генерации когерентных волн p-n переход имеет большую площадь и идеально отполированные стороны для того, чтобы сам полупроводник выполнял роль оптического резонатора.

Рис. Условно-графические обозначения двухконтактных ПП

Трёхконтактные полупроводниковые приборы

Биполярный транзистор — ПП, имеющий три электрода. В полупроводниковой подложке сформировано два перехода: либо p-n-p, либо n-p-n. Электроды, контактирующие с крайними слоями, называются эмиттером (Э) и коллектором (К), электрод среднего слоя — база (Б). Находит применение в огромном количестве аналоговых (усилители, генераторы) и цифровых (ТТЛ) схем. Ключевой элемент интегральных схем.
Полевой транзистор — ПП, действие которого заключается в формировании токопроводящего канала, сопротивление которого регулируется поперечным электрическим полем. Электроды называются исток (И), сток (С), затвор (З).
МДП (МОП) транзистор — полевой транзистор, затвор которого отделён от токопроводящего слоя диэлектриком SiO2. Эти транзисторы являются основой ПЗС-матриц, которыми комплектуются современные фото- и видеоустройства.
Биполярный транзистор с изолированным затвором — комбинация полевого и биполярного транзисторов. Область применения — устройства управления электрическими приводами, инверторы, импульсные источники питания.
Тиристор — прибор на основе трёх и более p-n переходов. Имеет два устойчивых режима: «закрыто» или «открыто». Применяется в качестве элемента управления мощными нагрузками, используя при этом сигналы небольшой величины.
Симистор (англ. TRIAC —Triod for Alternative Current) — разновидность тиристора. Применяется в качестве коммутирующего элемента в схемах переменного тока.

Четырёхконтактные полупроводниковые приборы

Оптопара (оптрон) — прибор, представляющий собой комбинацию излучателя (светодиод) и фотоприёмника (фоторезистор, фотодиод или другие полупроводниковые фотоэлементы). Электрический импульс сначала преобразуется в световой поток, а затем обратно в электрический сигнал. Оптопары применяются в качестве надёжной гальванической развязки электрических цепей, в системах защиты и бесконтактного управления.
Датчик Холла — ПП, изобретённый американским физиком Э. Холлом, предназначен для регистрации и определения величины магнитного поля. Используется для определения бесконтактным способом скоростей вращения валов, колёс, дисководов.

Рис. Условно-графическое изображение транзисторов

Заключение

До открытия полупроводниковых материалов базовыми элементами электроники были газоразрядные и электронно-вакуумные лампы, главные недостатки которых: большое энергопотребление, значительный вес и габариты, при слабой механической прочности из-за использования стекла.

Внедрение ПП позволило совершить техническую революцию — перейти к массовому производству малогабаритных устройств военного, производственного, бытового, медицинского применения. Создание микрокомпьютерной техники и мобильной телефонной связи было бы невозможно без появления ПП.

Источник