Реферат: Полупроводниковые диоды и транзисторы, области их применения

                 Подготовлено

Учеником 10 «А» класса

Школы № 610

Рефератна тему:

«Полупроводниковыедиоды и транзисторы,   области их пременеия»

       План

 1.Полупроводники: теория и свойства

 2.Основные полупроводниковые приборы (Строение и применение)

 3.Типы полупроводниковых приборов

 4.Производство

 5. Областьприменения 

1.Полупроводники: теория и свойства

     Сначала надо познакомиться с механизмомпроводимости в полупроводниках. А для этого нужно понять природу связейудерживающих атомы полупроводникового кристалла друг возле друга. Для примерарассмотрим кристалл кремния.

оболочке атома имеются четыре электрона, сравнительнослабо связанные

с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремниятакже равно

четырем. Взаимодействие пары соседних атомовосуществляется с помощью

паоноэлектронной связи, называемой ковалентной связью. Вобразовании

этой связи от каждого атома участвуют по одномувалентному электрону, ко-

торые отщепляются от атомов (коллективизируютсякристаллом) и при

своем движении большую часть времени проводят впространстве между

соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживаетположительные ионы кремния друг возле друга. Каждый атом образует четыре связис соседними,

 и любой валентный электрон может двигаться по одной изних. Дойдя до соседнего атома, он может перейти к следующему, а затем дальшевдоль всего кристалла.  

Валентные электроны принадлежат всему кристаллу.Парноэлектронные связи кремния достаточно прочны и при низких температурах неразрываются. Поэтому кремний при низкои температуре  не проводит электрическийток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны ккристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметноговлияния на их движение.

       Электронная проводимость.

 При нагревании кремния кинетическая энергия  частиц повышается,  и

наступает разрыв отдельных связей. Некоторые  электроны покидают свои   орбиты и становятся свободными, подобно электронам в металле. Вэлектрическом поле они перемещаются между узлами решетки, образуя электрическийток.

Проводимость полупроводников обусловленную наличием уметаллов свободных

электронов электронов, называют электроннойпроводимостью. При повышении температуры  число разорванных связей, а значит, исвободных электронов увеливается. При нагревании от 300 до 700 К числосвободных носителей заряда увеличивается от  10в17  до  10в24 1/м в3. Этоприводит к уменьшению сопротивления. 

       Дырочная  проводимость.

      При разрыве связи образуется вакантное место снедостающим электроном.

Его называют дыркой. В дырке имеется избыточныйположительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями. Положениедырки в кристалле не является неизменным. Непрерывно происходит следующийпроцесс. Один

из электронов, обеспечивающих связь атомов,перескакивает на место об-

разовавшиеся дырки и восстанавливает здесьпарноэлектронную связь.

а там, откуда перескочил этот электрон, образуется новаядырка. Таким

образом, дырка может перемещаться по всему кристаллу.

Если напряженность электрического поля в образце равнанулю то перемещение дырок, равноценное перемещению положительных зарядов,происходит беспорядочно и поэтому не создает электрического тока. При наличииэлектрического поля возникает упорядоченное перемещение дырок, и, такимобразом, к электрическому току свободных электронов добавляется электрическийток связанный с перемещением дырок. Направление движения дырок противоположнонаправлению движения электронов.

Итак, в полупроводниках имеются  носители заряда двухтипов: электроны и дырки. Поэтому полупроводники обладают не толькоэлектронной, но и дырочной проводимостью. Проводимость при этих условияхназывают собственной проводимостью полупроводников. Собственная проводимостьполупроводников обычно невелика, так как мало число свободных электронов,например, в германии при комнатной температуре ne=3на10в23 см в –3. В то жевремя число атомов германия в 1 см кубическом порядка 10в23. Таким образом,число свободных электронов составляет примерно одну десятимиллиардную часть отобщего числа атомов.

      Существенная особенность полупроводников состоит втом, что в них

при наличии примесей наряду с собственной проводимостьювозникает

дополнительная — примесная проводимость.  Изменяя концентрацию

примеси, можно значительно изменять число носителейзаряда того

или иного знака. Благодаря этому можно создаватьполупроводники с

преимущественной   концентрацией либо отрицательно, либоположи-

тельно заряженных носителей. Эта особенностьполупроводников откры-

вает широкие возможности для практического применения.

      Донорные примеси.

Оказывается, что при наличии примесей, например атомовмышьяка, даже при очень малой их концентрации, число свободных электроноввозрастает во

много раз. Происходит это по следующей причине. Атомымышьяка имеют пять  валентных электронов, четыре из них участвуют в созданииковалентной связи данного атома с окружающими, например с атомами кремния.Пятый валентный электрон оказывается слабо связан с атомом. Он легко покидаетатом мышьяка и становится свободным. Концентрация  свободных  электроновзначительно возрастает, и становится в тысячу раз больше концентрации свободныхэлектронов в чистом полупроводнике. Примеси, легко отдающие электроны называютдонорными, и такие полупроводники являются полупроводниками n-типа. Вполупроводнике n-типа электроны являютсн основныим носителями заряда, а дырки —неосновными.

      Акцепторные примеси.

Если в качестве примеси использовать индий, атомыкоторого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперьдля образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия не

достает электрона. В результате образуется дырка. Числодырок в крис-

талле равно числу атомов примеси. Такого рода примесина-

зывают акцепторными  (принимающими).  При наличииэлектрического поля

дырки перемешаютс по полю и возникает дырочнаяпроводимость. По-

лупроводники с преобладанием дырочкой проводимости надэлектрон-

ной  называют  полупронодниками р-типа (от слова positiv— положительный).

2.Основные полупроводниковые приборы (Строение иприменение)

 Существуют два основных полупроводниковых приборов:диод и транзистор.

     Диод.

/>В нястояшее время для выпрямления электрическигйтока в радиосхемах наряду с двухэлектродными лампами вся больше применяютполупроводниках диоды,  так  как они обладают рядом преимуществ. В электроннойлампе носители заряда электроны  возникают за счет нагревания катода. В p-nпереходе носители заряда  образуется при введении в кристалл акцепторной илидонорной примеси.Таким образом, здесь отпадает необходимость источника энергиидля получения носителей заряда. В сложных схемах экономия энергии, получается за счет этого, оказывается весьма значительной значительной. Кроме того,полупроводниковые выпрямители при тех же значениях выпрямленого тока болееминиатюрны, чем ламповые.

/>           Полупроводниковые диоды изготовляют из германия, кремния. селена и другихвеществ. Рассмотрим как создается  p-n переход при использовании днорнойпримеси, этот переход не удастся получить путем механического соеденения двухполупроводников  различных типов, т.к. при этом получается слишком большойзазор между полупроводииками.Эта толщина должна быть не больше межатомныхрастояний. По этому в одну из поврхностей образца  вплавляют индий.  Вследствиедиффузии атомов индии индия в глубь монокристалла германня у поверхностигермания преобразуется область с проводимцстью р-типа. Остальная часть образцагермании, в которуй атомы индмя нс  проникли,  по-прежнему имеет проводимосгь n-типа. Между областями возникает p-n переход. Вполупроводниковом  диодегерманий служит катодом, а индий -  анодом. На рисунке 1 показано прямое (б) иобратное (в)     подсоеденение диода.

    Вольт-Амперная характеристика при прямом и обратномсоединении показана на рисунке 2.

    Заменили лампы, очень широко используются в техники,в основном для выпрямителей, также диоды нашли применение в различных приборах.

      Транзистор.  

/>Рассмотрим один из видов транзистора из германия иликремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределениепримесей таково, что создается очень тонкая (порядка нескольких микрометров)прослойка полупроводника  n-типа  между  двумя слоями полупроводника р-типарис. 3. Эту тонкую прослойку называют основанием или базой.В кристаллеобразуются два р-n-перехода, прямые направления которых противоположны. Тривывода от областей с различными типами проводимости позволяют включатьтранзистор в схему, изображенную на рисунке 3. При данном включении

левый р—n переход является прямым и отделяет базу отобласти с проводимостью р-типа, называемую эмитером. Если бы не было правого р–n -перехода, в цепи эмиттер — база существовал бы ток, зависящий от напряженияисточников (батареи Б1 и источника переменного напря-

жения) и сопротивления цепи, включая малое сопротивлениепрямого пе-

/>рехода эмиттер — база. Батарея Б2 включена так,что правый р-n-переход в схеме (см. рис. 3) является обратным. Он отделяет базуот правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором. Если бы небыло левого p—n-перехода, сила тока и цепи коллектора была бы близка к нулю.Так как сопротивление обратного перехода очень велико.  При существовании жетока в левом р —n переходе появляется ток и в цепи коллектора, причем сила токав коллекторе лишь немного меньше силы тока в эмиттере.При создании напряжениямежду эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа — дыркипроникают в базу, гдр они являютс уже леосновными носителями. По-сколькутолщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней невелико,попавшие в нее дырки почти не объединяются (не рекомбинируют) с электронамибазы и проникают н коллектор за счет диффузии. Правый р—n-переход закрыт дляосновных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок.  В коллекторедырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока,ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечениябазы в горизонтальной (см.рис. 3) плоскости много меньше сечения в вертикальнойплоскости. Сила тока в коллекторе, практи чески равная силе тока в эмиттере,изменяется вместе с током в эмиттере. Сопротивление резистора R />мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивлениеможно сделать достаточно большим. Управляя  током эмиттера с помощью источникапеременного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменениенапряжения на резисторе. При  большом сопротивление резистора изменениенапряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение сигнала  в цепиэмиттера.Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получитьэлектрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность,поступающую в цепь эмиттера.Они заменяют электронные лампы, широко используютсяв технике.

    3.Типы полупроводниковых приборов.

/>Кроме плоскостныых диодов рис 8 и транзисторовсуществуют еще и точечные диоды рис 4,. Точечные транзисторы (строение см нарисунке )  перед пременением его формуют т.е. пропускают ток определеннойвеличины, вследствии чего под острием проволоки образуются область с дырочнойпроводимостью. Транзисторы бывают p-n-p и n-p-n типов. Обозначение и общий видна рисунке 5.

Существуют фото- и термо- резисторы и варисторы вид нарисунке. К плосткостным диодам относятся селеновые выпрямители.Основой такогодиода служит стальная шайба, покрытая с одной стороны слоем селена,являющегося полупроводников с дырочной проводимостью вид на рис 7 . Поверхностселена покрыта сплавом кадмия, в результате чего образуется пленка обладающаяэлектронной проводимостью, вследствии чего образуется переход выпремляющийток.Чем больше площадь, тем больше выпремляемый ток.    

4. Призводство

/>Технология изготовления диодатакова. На поверхности квадратной пластинки площадью 2-4 см в кв и толщиной внесколько долей миллиметра, вырезанной из кристала полупроводника с электроннойпроводимостью, расплавляют кусочек индия. Индий крепко сплавляется спластинкой.При этом атомы индия проникают (диффузируют) в толщу пластинки,образуя в ней область с преобладанием  дырочной  проводимости рис 6 Получаетсяполупроводниковый прибор с двумя областями различного типа проводимости, а междуними p-n-переход. Чем тоньше пластинка полупроводника. тем меньше сопротивлениедиода в прямом направлениии, тем больше выправленный диодом ток. Контактамидиода служат капелька индия и металлический диск или стержень с выводнымипроводниками

  После сборки транзистора его монтируют в корпус,присоеденяют эл. выводы к контактным пластинам кристалла и выводом корпуса игерметизируют корпус.

   5. Область применения

/>      Диоды обладают большойнадежностью, но граница их пременения от –70  до 125 С. Т.к. у точечногодиода  площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могутвыпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном длямодуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любогодиода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратноготока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи еговыпремляющие и прочностные св-ва.

       Транзисторы, как и диоды, чувствительны ктемпературе и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие отрадиоламп сгорают от неправильного подключения.