Лекция полупроводниковые приборы кратко

Обновлено: 05.07.2024

1. Основные сведения о полупроводниковых
приборах
Электроника
– наука, которая изучает:
1) физические явления в полупроводниковых и
электровакуумных приборах,
2) характеристики этих приборов,
3) системы и устройства, основанные на их
использовании.

В зависимости от среды, в которой протекает
электрический
ток,
электронные
приборы
подразделяют на 3 основных класса:
1) Электронные (вакуумные) лампы. В них поток
электронов проходит в вакууме.
2) Ионные (газоразрядные) лампы. В них
основными носителями тока являются ионы (как
положительные, так и отрицательные), полученные
при ионизации газа, заполняющего прибор.
3) Полупроводниковые приборы. В них ток
создается движением двух видов носителей –
электронами
и
дырками
в
твердом
теле
полупроводника.

В последние годы получила применение электронная
аппаратура, основанная на использовании
полупроводниковых приборов, которые по сравнению с
вакуумными и газоразрядными имеют следующие
преимущества:
1. Высокая надежность работы.
2. Компактность.
3. Высокий к.п.д.
Полупроводниковые приборы находят широкое
применение на железнодорожном транспорте и в
современном электрооборудовании и электроприводе,
используемом при выполнении строительных работ и
работ по управлению движением.

По удельному электрическому сопротивлению
вещества подразделяются на три типа.
Проводники
Полупроводники Диэлектрики
(металлы)
10-8 10-6 Ом.м 10-5 108 Ом.м 109 1024 Ом.м
К полупроводникам относятся:
– химические элементы четвертого столбца
таблицы Менделеева (Ge, Si);
– химические соединения, например GaAs.

Полупроводниковые приборы делятся на 4 группы:
1. Резисторы.
2. Диоды.
3. Триоды (транзисторы).
4. Тиристоры.
Они характеризуются различной полупроводниковой структурой
и наличием определенного количества электродов
.
1. Резисторы выполняются из однородного полупроводникового
материала (чаще Si), имеют два электрода.
2. Диоды состоят из двух слоев полупроводников, обладающих
различным типом электропроводности; имеют два электрода.
3. Транзисторы имеют трехслойную
структуру, имеют три электрода.
полупроводниковую
4. Тиристоры имеют четырехслойную
структуру, имеют три электрода.
полупроводниковую

8. 2. Полупроводниковые резисторы называются приборы, электрическое сопротивление которых является либо величиной постоянной

(линейные резисторы),
либо зависит от различных физических величин
(напряжения, температуры, механической деформации).
Линейный резистор, электрическое сопротивление является
величиной практически постоянной
u
Нелинейный резистор (варистор), его электрическое
сопротивление зависит от приложенного к нему
напряжения,
широко
применяется
для
защиты
электрических цепей от перенапряжений.
t
Терморезистор
–
его
сопротивление
зависит
от
температуры, поэтому он применяется в системах
регулирования температуры, а также тепловой защиты.
Тензорезистор – его сопротивление зависит от величины
механической деформации, они широко применяются при
механических испытаниях твердых тел.

3. Полупроводниковые диоды
Определение:
полупроводниковым
диодом
или
вентилем называется прибор, состоящий из двух
полупроводниковых слоев, обладающих дырочной P и
электронной n проводимостями и образующих P-n переход
Основным
свойством
односторонняя проводимость
диода
является
его

10. СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

дырки
ЕПЕР
+
- +
+ р
- +
+
- +
Анод (А)
ИОНЫ
электроны
n
Катод (К)
IПР
IОБР
VD
СТРУКТУРА ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ДИОДА

12. Электрическое сопротивление в прямом направлении существенно меньше, чем в обратном (RпрRобр) Напряжение, приложенное в

Электрическое сопротивление в прямом направлении
существенно меньше, чем в обратном
(Rпр Rобр)
Напряжение, приложенное в прямом направлении
(+Анод, -Катод) называется прямым (UПР).
Под действием прямого напряжения протекает прямой ток
(IПР).
Напряжение, приложенное в обратном направлении
(-Анод, +Катод) называется обратным (UОБР).
Под действием обратного напряжения протекает обратный
ток (IОБР)., существенно меньший прямого.
Основной характеристикой диода является Вольтамперная
характеристика полупроводникового диода

13. ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ

IПР
Ge
Si
Идеальный
диод
IПР.
UОБР
Прямая
ветвь
ДОП
IОБР. ДОП
UОБР. ДОП
IОБР
Обратная
ветвь
ВОЛЬТАМПЕРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИОДОВ
UПР

ПАРАМЕТРЫ
СЕЛЕН
ГЕРМАНИЙ
КРЕМНИЙ
ДОПУСТИМАЯ
ПЛОТНОСТЬ
ТОКА, А/см2
0,1
100
500
ДОПУСТИМОЕ
ОБРАТНОЕ
НАПРЯЖЕНИЕ,
В
60
600
1000
ОТНОСИТЕЛЬНЫЙ ОБЪЁМ
15
3
1

Наибольшее применение нашли кремниевые диоды:
– больший допустимый прямой ток;
– большее допустимое обратное напряжение;
– большая допустимая температура (до 135о)
– меньшие габариты.
Полупроводниковые диоды применяются:
1) В статических выпрямителях;
2) Светодиоды
3) Фотодиоды
4) стабилитроны
5) Туннельные диоды

16. КРЕМНИЕВЫЙ ДИОД СРЕДНЕЙ МОЩНОСТИ

17. СИЛОВОЙ КРЕМНИЕВЫЙ ВЕНТИЛЬ В- 200

4. Полупроводниковые стабилитроны
Обратная ветвь вольтамперной характеристики диода
имеет участок, который характеризуется неизменным
значением напряжения, при изменении тока в
определенном диапазоне.
Такая особенность вольтамперной характеристики
диода
позволила
разработать
специальные
полупроводниковые приборы – стабилитроны.
Они предназначены для поддержания неизменного
значения напряжения на приёмнике при изменении
тока нагрузки

19. СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ СТАБИЛИТРОНА

20. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА СТАБИЛИТРОНА

21. 4. Биполярные транзисторы

Транзистором
называется
полупроводниковый
прибор, состоящий из трех слоев, образующих два p-n
перехода противоположного направления.
В зависимости от порядка чередования слоев
Биполярные транзисторы делятся на две группы :
p-n-p или n-p-n.
Принцип действия у них одинаков.
Разность заключается в разной полярности
подключения источников питания.

Транзисторы предназначены для усиления и
генерирования электрических сигналов.
Термин БИПОЛЯРНЫЙ ТРАНЗИСТОР означает, что
в транзисторе этого типа используются
электрические заряды двух противоположных
полярностей
– электроны и дырки.
.

Устройство и принцип действия
Биполярного Транзистора (БТ)
Рассмотрим работу БТ на примере структуры p-n-p.
Э
+ p n
+
+
Б
Э – Эмиттер;
К – Коллектор;
Б – База.
p +
+
К

– Крайний Р-слой, примыкающий к p-n переходу,
включается в прямом направлении называется
ЭМИТТЕРОМ (инжектирует электрические заряды, в
данном случае – дырки);
– центральный слой называется БАЗОЙ;
– второй крайний слой называется КОЛЛЕКТОР
(принимает заряды), включается в обратном
направлении.
В цепи база-эмиттер действует малая по величине
ЭДС ЕБ (меньше 1 В), а в цепи коллектора –
большая ЭДС ЕК (сотни – тысячи В).
Е Б Е К

26. 5. Три схемы включения биполярного транзистора

В зависимости от общего электрода для входной и
выходной цепей транзистора, различают три схемы
включения транзистора:
- с Общим Эмиттером (ОЭ)
- с Общим Коллектором (ОК)
- с Общей Базой (ОБ)
Наибольшим усилением по току и мощности
обладает схема включения транзистора с ОЭ.
Она и получила наибольшее применение.

27. Схема включения биполярного транзистора с ОЭ

28. При (т.е. цепь базы разорвана) Через транзистор проходит весьма малый ток коллектора

IБ 0
При
(т.е. цепь базы разорвана)
Через транзистор проходит весьма малый ток коллектора
RБ
IК 0
При RБ 0 , то I Б 0 , то первый Р-слой начинает генерировать
дырки, большая часть которых достигает коллектора.
Потенциальный барьер между между слоями Р-n снижается, что
резко увеличивает I К .
IЭ IК IБ
I Б I Э
IЭ IК
Это позволяет малым током базы изменять большой ток
коллектора (усиливать).
Соответственно происходит усиление по мощности –
I Б ЕБ I К ЕК

31. ВХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

– Выходная статическая характеристика БТ
называется зависимость коллекторного тока Iк от напряжения
между коллектором и эмиттером Iк =f(Uкэ), снятая при неизменном
токе базы Iб = const.
Выходные характеристики используются
1) для определения выходного сопротивления;
2) для определения коэффициента усиления по току.

34. ВЫХОДНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТРАНЗИСТОРА

1) Выходное сопротивление
RВЫХ
U К
I К
при
I Б const ;
2) Коэффициент усиления по току
I К
I Б
при
20 400
U K const ;

36. 5. Тиристор. Вольтамперная хар-ка. Сравнение с транзистором(по степени управляемости).

Тиристором
называется
полупроводниковый
прибор, имеющий три или более (p-n) перехода и
обладающий свойством переходить из непроводящего
состояния в проводящее под действием небольшого
сигнала управления.
– в непроводящем состоянии (закрытом) тиристор
имеет высокое сопротивление;
– в проводящем состоянии (открытом) тиристор
имеет низкой сопротивление.
В отличие от транзисторов тиристоры могут
применяться в устройствах значительно большей
мощности.
Тиристор имеет четырехслойную структуру
(p-n-p-n)

37. СТРУКТУРА ТИРИСТОРА

А – Анод – примыкающий к крайнему (р) слою вывод;
К – Катод – примыкающий к крайнему (n) слою вывод.
У – Управляющий электрод
По отношению к основному источнику
– переходы П1 и П3 включены в прямом направлении;
– переход П2 включен в обратном направлении.

39. ВОЛЬТАМПЕРНАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА ТИРИСТОРА

1) Если управляющий сигнал отсутствует, т.е. IУ =0;
то ток в цепи нагрузки практически отсутствует, т.к.
тиристор находится в непроводящем состоянии.
2) Однако, при подаче положительного
электрического сигнала управления, сопротивление
перехода П2 резко уменьшается и тиристор
переходит в проводящее состояние.
Если теперь снять управляющий сигнал (сделать IУ
=0), то тиристор не закроется.
Чтобы перевести тиристор в непроводящее
состояние необходимо уменьшить ток в цепи
нагрузки до определенной величины, называемой
током удержания (выключения) (IУД).

После окончания кратковременных процессов в цепи
управления тиристор может находиться только в
двух состояниях – открытом и закрытом.
В открытом состоянии напряжение между анодом и
катодом тиристора составляет около 1,5 В. Время
отпирания составляет несколько микросекунд. Время
запирания в несколько раз больше.
Тепловые потери могут вызвать значительный нагрев
тиристора. Поэтому в тиристорных устройствах
предусматривают систему охлаждения с помощью
радиаторов, охлаждаемых естественной конвекции
воздуха или принудительного обдува вентилятором.

В настоящее время выпускаются запираемые по
управляющему входу тиристоры (GTO). Однако их
ток запирания соизмерим с током нагрузки, что
является существенным недостатком таких
запираемых тиристоров.
По сравнению с транзисторами, время выключения
тиристоров (десятки микросекунд) существенно
больше времени запирания транзисторов.
Это существенно снижает быстродействие
электронной аппаратуры, выполненной на
тиристорах.
Максимальная мощность современных транзисторов
приближается к мощности тиристоров.

Тиристоры применяются:
– в преобразователях частоты;
– в инверторах напряжения;
– в управляемых выпрямителях;
– в широтно-импульсных преобразователях
постоянного напряжения.

44. 6. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ВЫПРЯМИТЕЛИ (ПВ)

ПВ
предназначены
для
преобразования
переменного тока в постоянный (обеспечивают
протекание тока только в одном направлении).
ТИПИЧНАЯ БЛОК-СХЕМА ВЫПРЯМИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ
(4 прямоугольника, каждый обозначает элемент установки,
включая нагрузку)
сеть
Тр
СФ
Н

Трансформатор предназначен для изменения
напряжения питающей сети до величины, которая
обеспечивает требуемое выпрямленное напряжение.
Выпрямленное напряжение имеет переменную
составляющую, называемую пульсации.
Для уменьшения пульсаций между диодами и
нагрузкой включается сглаживающий фильтр (СФ);
В зависимости от числа фаз питающей сети.
характера нагрузки (Н), а также требований к
выпрямленному току Диоды соединяются в различные
системы.

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.

Полупроводники – большой класс веществ, удельное сопротивление которых изменяется в широких пределах от 10 -5 до 10 10 Ом∙м.

Полупроводники обладают промежуточными свойствами между металлами и диэлектриками. Характерным для полупроводников является не величина удельного сопротивления, а то, что она под воздействием внешних условий изменяется в широких пределах.

К полупроводникам относятся:

а) элементы III, IV, V и VI групп периодической системы элементов, например Si, Ge, As, Se, Te;

б) сплавы некоторых металлов;

в) оксиды (окислы металлов);

г) сульфиды (сернистые соединения);

д) селениды (соединения с селеном).

Сопротивление полупроводников зависит от:

в) наличия примесей.

полупроводники

0 t, 0 C

Терморезисторы – специальные полупроводниковые приборы, в которых используется зависимость электрического сопротивления полупроводников от температуры.

Электрическое сопротивление полупроводников уменьшается и при освещении их светом.

Фоторезисторы – приборы, в которых используется свойство полупроводников изменять своё электрическое сопротивление при освещении светом.

1. Собственная проводимость полупроводников.

Собственная проводимость – электрическая проводимость химически чистого полупроводника.

В типичном полупроводнике (кристалле кремния Si) атомы объединены ковалентной (атомной) связью. При комнатной температуре средняя энергия теплового движения атомов в кристалле полупроводника составляет 0,04 эВ. Это значительно меньше энергии, необходимой для отрыва валентного электрона, например, от атома кремния (1,1 эВ). Однако вследствие неравномерности распределения энергии теплового движения или при внешних воздействиях некоторые атомы кремния ионизируются. Образуются свободные электроны и вакантные места в ковалентной связи – так называемые дырки. Под воздействием внешнего электрического поля возникает упорядоченное движение свободных электронов и упорядоченное движение в противоположном направлении такого же количества дырок.

Электронная проводимость или проводимость n-типа (от лат. negative – отрицательный) – проводимость полупроводников, обусловленная электронами.

Дырочная проводимость или проводимость p-типа (от лат. positive – положительный) – проводимость полупроводников, обусловленная дырками.

Таким образом, собственная проводимость полупроводника обусловлена одновременно двумя типами проводимости – электронной и дырочной.

2. Примесная проводимость полупроводников.

Примесная проводимость – электрическая проводимость полупроводников, обусловленная наличием примесей (примеси – атомы посторонних элементов).

Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10 6 раз.

В основном, атомы примеси имеют валентность, отличающуюся на единицу от валентности основных атомов.

Донорные примеси – примеси с большей валентностью, сообщающие полупроводнику электронную проводимость.

Полупроводник (кремний) + донор (мышьяк) = полупроводник n-типа.

Акцепторные примеси – примеси с меньшей валентностью, сообщающие полупроводнику дырочную проводимость.

Полупроводник (кремний) + акцептор (индий) = полупроводник р-типа.

3. Полупроводниковые диоды и триоды. Их применение.

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойств p-n-перехода.

Электронно-дырочный переход (или p-n–переход) – граница соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости.

Через границу раздела происходит диффузия электронов и дырок, которые встречаясь рекомбинируют.

На границе раздела в электронном полупроводнике остаются положительные ионы донорной примеси, а в дырочном образуются отрицательные ионы акцепторов. Образуется так называемый запирающий слой (двойной электрический слой), напряжённость которого Е_зап направлена от электронного полупроводника к дырочному. Через этот двойной слой могут прорваться из n-полупроводника в p-полупроводник только такие электроны, которые обладают для этого достаточно большими энергиями. Внешнее электрическое поле, приложенное к двум разнородным полупроводникам, в зависимости от своего направления может и ослаблять поле запирающего слоя.

Запирающий слой обладает односторонней проводимостью: запирающий слой пропускает ток в направлении, противоположном полю запирающего слоя, и не пропускает ток в направлении, совпадающем с полем запирающего слоя.

Полупроводниковый диод – прибор с одним p-n-переходом.

Вольт-амперная характеристика – зависимость силы тока I от напряжения U , приложенного к диоду.

Полупроводниковый триод (или транзистор) – прибор с двумя p-n-переходами.

Транзисторы (как и ламповые триоды) служат для усиления слабых электрических сигналов.

Контрольные вопросы

1. Какие вещества называются полупроводниками?

2. Чем отличаются полупроводники от проводников и диэлектриков?

3. От чего зависит электропроводность полупроводников?

4. Какие свойства полупроводников используются в термо- и фоторезисторах?

5. Каков механизм собственной проводимости полупроводников?

6. Как образуются свободные электроны и дырки?

7. Каков механизм примесной проводимости полупроводников?

8. Какие примеси называются донорными, а какие – акцепторными?

9. Как объяснить одностороннюю проводимость p-n-перехода?

10. Какова вольт-амперная характеристика p-n-перехода? Объясните возникновение прямого и обратного тока.

11. Какое направление в полупроводниковом диоде является пропускным для тока?

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:

Рис. Условно-графические обозначения двухконтактных ПП

Трёхконтактные полупроводниковые приборы

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.

Читайте также: