Полупроводниковые материалы

Категория:
Пластмассы


Полупроводниковые материалы

Однако полупроводники отличаются от металлов и диэлектриков не только величиной электропроводности. Основным свойством полупроводниковых материалов является резкое изменение проводимости их под действием таких внешних факторов, как температура, освещенность, напряженность и т. д.

К полупроводниковым материалам относятся теллур, соединения серы, селена, теллура с металлами (PbS, PbSe, PbTe, CdS), некоторые окислы и карбиды (Cu20, MnO, TiC и др.), а также металлические соединения (AlSb, InSb, Mg3Sb и др).

В металлах проводимость тока осуществляется свободными электронами. В полупроводниковых материалах свободных электронов теоретически не должно быть. Для того чтобы покинуть атом, электрон должен преодолеть силу связи, для этого необходима дополнительная энергия. Например, если элемент — полупроводник нагревать, то тепловое движение атомов усиливается, парноэлектронные связи постепенно ослабевают и, наконец, наступает момент, когда связь в некоторых местах нарушается и освободившиеся электроны хаотически передвигаются в кристаллической решетке. Поэтому даже при комнатной температуре полупроводники обладают электропроводностью, которая резко увеличивается при нагреве в связи с возрастанием числа свободных электронов в десятки тысяч (при 200°) и в сотни миллионов (при 800°) раз. При этом электропроводность полупроводников приближается к проводимости металлов.

Рис. 1. Зависимость электропроводности полупроводниковых материалов от внешних факторов

Электропроводность полупроводников складывается из дырочной и электронной.

Дырочная проводимость состоит в «перемещении» положительного иона (дырки) от одного атома к другому за счет нарушения парноэлектронной связи, образования свободных электронов и перехода их от одного атома к другому.

В процессе теплового движения перемещение дырки является хаотичным. Однако, если поместить полупроводник в электрическое поле, то движение дырок будет направленным. Свободные электроны, перемещаясь, также осуществляют проводимость, называемую электронной. Электронная и дырочная проводимость могут быть равными по величине только в идеально чистом элементе. Если в материале присутствует хотя бы незначительное количество примесей, то одна из проводимостей может оказаться преимущественной. На практике в зависимости от требований можно создавать ту или иную проводимость. Например, если взять чистый германий — четырехвалентный элемент с примесью пятивалентного мышьяка, то при замещении четырехвалентного атома германия пятивалентным атомом мышьяка только четыре электрона последнего будут участвовать в парно-электронных связях, а пятый оказывается очень слабосвязанным и легко становится свободным. Следовательно, германий с примесью мышьяка будет обладать электронной проводимостью,’ или проводимостью типа — п. Подобная примесь, дающая избыток электронов в полупроводниках, называется донорной.

Для создания преимущественно дырочной проводимости необходимо в качестве примеси вводить элемент с меньшей валентностью. В этом случае примесь называется акцепторной, а материал в целом — полупроводником дырочного, или р-типа. Для германия такой примесью может служить, например, индий или любой другой элемент III группы периодической системы. Изменением количества примеси можно влиять на проводимость полупроводника, но только при постоянной температуре. Свойство полупроводиков иметь ту или иную проводимость используется при изготовлении выпрямителей, усилителей и генераторов тока.

Полупроводниковые выпрямители образуются путем соединения вместе (в стык) полупроводников с электронной (л) и дырочной (р) проводимостью. При этом на границе их соприкосновения образуется так называемый р—n-переход, по одну сторону которого имеет место избыток электронов, а по другую — избыток дырок.

В результате диффузии дырок и электронов навстречу друг другу граница полупроводников лишается свободных носителей заряда и электропроводность ее ухудшается. Получающийся слой с высоким сопротивлением называется запорным. Этот слой проводит электричество только в том случае, когда ток течет от полупроводника с дырочной к полупроводнику с электронной проводимостью. При этом запорный слой обогащается носителями зарядов и обладает хорошей проводимостью.

Если выпрямитель включен так, что ток должен течь от электронного к дырочному полупроводнику, то запорный слой обедняется носителями зарядов, сопротивление его возрастает и ток прекращается. Односторонняя проводимость тока в полупроводниках с р—л-переходом используется для выпрямителя переменного тока. В настоящее время промышленность выпускает селеновые, меднозакисные, германиевые и кремниевые выпрямители (диоды); параметры и свойства их различны.

Рис. 2. Схемы диода: а— без включения; б — при прямом включении; в — при обратном включении

Германиевые выпрямители нашли применение сравнительно недавно. Для изготовления их употребляется возможно более чистый германий в виде монокристалла, обладающий электронной проводимостью. Кристалл разрезается на небольшие тонкие пластинки, в которые вводится примесь элемента III группы периодической системы, например индия. Введение этой примеси обеспечивает создание в германии дырочной проводимости. Глубина проникновения примесей должна быть небольшой. Коэффициент полезного действия германиевых выпрямителей достигает 98%.

Полупроводниковые усилители (триоды) в отличие от диодов состоят из трех «слоев». Взаимное расположение их должно быть таким, чтобы два слоя с одинаковой проводимостью были разделены слоем с другим видом проводимости. В зависимости от компоновки слоев различают два типа триодов р—п—р и п—р—п (рис. 3, а и б). По существу триод представляет собой композицию из двух диодов, соединенных последовательно навстречу друг другу. Чтобы триод начал усиливать, его необходимо соединить с двумя внешними источниками тока, как показано на рис. 3,е. Между левым и средним полупроводниками ток приложен в направлении малого сопротивления, а между правым и средним — в направлении относительно большого сопротивления. Переход р—п, включаемый в прямом направлении, называется эмиттерным, а переход п—р, включаемый в обратном на правлении — коллекторным. Средний полупроводник называет ся основанием или базой. В технике широко применяют герма ниевые и кремниевые полупроводниковые усилители.

Рис. 3. Схема триода: а — типа р—п—р\ б—типа п—р—п; в — при включении в электрическую цепь

Термисторы представляют собой полупроводниковые термо, сопротивления, в которых используется свойство полупроводников увеличивать электропроводность при нагреве {рис. 199) В качестве материалов для термисторов используют смеси окислов некоторых металлов. Например, двуокись титана смешивают с окисью магния, закись никеля с окислом лития, окисел марганца и окисел никеля с окислом кобальта и т. д. Большинство термосопротивлений надежно работают при температуре не выше 300°. Отечественная промышленность выпускает до ста различных типов термисторов ТС.

Медномарганцовистые ММТ и кобальтомарганцовистые КМТ термисторы применяют для температурных измерений, для контрольно-измерительных приборов, а также для стабилизации напряжения.

Фотосопротивления ФС основаны на свойстве полупроводников увеличивать электропроводность под действием света. При облучении, т. е. при поглощении фотонов, в полупроводнике появляются дополнительные электроны и дырки, называемые неравновесными носителями. Дополнительная проводимость, возникающая в этом случае, носит название фотопроводимости.

Фотосопротивления в основном изготавливаются из сернистого свинца, сернистого висмута и сернистого кадмия. Они имеют маркировку ФСА, ФСБ, ФСК соответственно. Полупроводники ФСА применяют взамен вакуумных фотоэлементов в звуковых кино, ФСБ используют в приборостроении и в фотоэлектрической автоматике, фотосопротивление ФСК применяют в качестве фотореле благодаря их высокой чувствительности.


Читать далее:



Статьи по теме:


Реклама:




Главная → Справочник → Статьи → БлогФорум