Застосування напівпровідників

У сучасній електронній техніці напівпровідникові прилади грають виняткову роль. За останні три десятиліття вони майже повністю|цілком| витіснили електровакуумні прилади.

У будь-якому напівпровідниковому приладі є один або декілька електронно-діркових переходів. Електронно-дірковий перехід (або n–p-переход) – це область контакту двох напівпровідників з різними типами провідності.

У напівпровіднику n-типаосновними носіями вільного заряду є електрони: їх концентрація значно перевищує концентрацію дірок (n_n >> n_p). У напівпровіднику p-типаосновними носіямиє дірки (n_p >> n_n). При контакті двох напівпровідників n- і p-типов починається процес дифузії: дірки з p-области переходять в n-область, а електрони, навпаки, з n-области в p-область. В результаті в n-области поблизу зони контакту зменшується концентрація електронів і виникає позитивно заряджений шар. У p-области зменшується концентрація дірок і виникає негативно заряджений шар. Таким чином, на межі напівпровідників утворюється подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів і дірок назустріч один одному. Прикордонна область розділу напівпровідників з різними типами провідності (так званий замикаючий шар) зазвичай досягає товщини близько десятків і сотень міжатомних відстаней. Об'ємні заряди цього шару створюють між p- і n-областями замикаючу напругу Uз, приблизно рівну 0,35 В для германієвих n–p-переходов і 0,6 В для кремнієвих.

n–p-перехід| володіє дивовижною|дивною| властивістю односторонньої|однобічної| провідності.

Якщо напівпровідник з n–p-переходом підключений до джерела струму так, що позитивний полюс джерела сполучений з n-областью, а негативний – з p-областю, то напруженість поля в замикаючому шарі зростає. Дірки в p-области і електрони в n-области зміщуватимуться від n–p-перехода, збільшуючи тим самим концентрації неосновних носіїв в замикаючому шарі. Струм через n–p-переход практично не йде. Напруга, подана на n–p-перехід в цьому випадку називають зворотним. Вельми незначний зворотний струм обумовлений тільки власною провідністю напівпровідникових матеріалів, т. е. наявністю невеликої концентрації вільних електронів в p-области і дірок в n-области.

Якщо n–p-перехід з'єднати з джерелом так, щоб позитивний полюс джерела був сполучений з p-областью, а негативний з n-областью, то напруженість електричного поля в замикаючому шарі зменшуватиметься, що полегшує перехід основних носіїв через контактний шар. Дірки з p-области і електрони з n-області, рухаючись назустріч один одному, перетинатимуть n–p-перехід, створюючи струм в прямому напрямі. Сила струму через n–p-переход в цьому випадку зростатиме при збільшенні напруги джерела.

Здатність|здібність| n–p-перехода| пропускати струм|тік| практично тільки|лише| в одному напрямі|направленні| використовується в приладах, які називаються напівпровідниковими діодами.

Напівпровідниковий діод – це пристрій з n–p-переходом (випрямляч).

Напівпровідникові діоди використовуються у випрямлячах для перетворення змінного струму|току| в постійний. Типова вольт-амперна характеристика кремнієвого діода приведена на мал. 6.

Напівпровідникові діоди виготовляються з|із| кристалів кремнію або германію. При їх виготовленні в кристал з|із| яким-небудь типом провідності вплавляють домішку|нечистоту|, що забезпечує інший тип|типа| провідності.

Напівпровідникові діоди володіють багатьма перевагами в порівнянні з вакуумними діодами – малі розміри, тривалий термін служби, механічна міцність. Істотним|суттєвим| недоліком|нестачею| напівпровідникових діодів є|з'являється| залежність їх параметрів від температури. Кремнієві діоди, наприклад, можуть задовільно працювати тільки|лише| в діапозоні| температур від –70 °C до 80 °C. У|біля| германієвих діодів діапазон робочих температур декілька ширше.

Напівпровідникові прилади не з одним, а з двома n–p-переходами називаються транзисторами. Назва походить від поєднання англійських слів: transfer – переносити і resistor – опір. Зазвичай для створення транзисторів використовують германій і кремній. Транзистори бувають двох типів: p–n–p-транзистори і n–p–n-транзистори. Наприклад, германієвий транзистор p–n–p-типа є невеликою пластинкою з германію з донорною домішкою, т. е. з напівпровідника n-типа. У цій пластинці створюються дві області з акцепторною домішкою, т. е. області з дірковою провідністю (мал. 7.). У транзисторі n–p–n-типа основна германієва пластинка володіє провідністю p-типа, а створені на ній дві області – провідністю n-типа (мал. 8.).

Пластинку|платівку| транзистора називають базою (Б), одну з областей з|із| протилежним типом провідності – колектором (К), а другу – емітером (Э). Зазвичай|звично| об'єм|обсяг| колектора перевищує об'єм|обсяг| емітера. У умовних позначеннях різних структур стрільця емітера показує напрям|направлення| струму|току| через транзистор.

Малюнок 7. Транзистор структури p–n–p.

Малюнок 8. Транзистор структури n–p–n.

Обидва n–p-перехода| транзистора з'єднуються з|із| двома джерелами струму|току|. На мал. 9. показано включення|приєднання| в ланцюг|цеп| транзистора p–n–p-структуры|. Перехід «еміттер–база|» включається в прямому (пропускному) напрямі|направленні| (ланцюг|цеп| емітера), а перехід «колектор–база|» – в замикаючому напрямі|направленні| (ланцюг|цеп| колектора).

Поки|доки| ланцюг|цеп| емітера розімкнений, струм|тік| в ланцюзі|цепі| колектора дуже малий, оскільки|тому що| для основних носіїв вільного заряду – електронів в базі і дірок в колекторі – перехід замкнутий.

При замиканні ланцюга емітера дірки – основні носії заряду в емітері – переходять з нього в базу, створюючи в цьому ланцюзі струм Iэ. Але для дірок, що потрапили в базу з емітера, n–p-переход в ланцюзі колектора відкритий. Велика частина дірок захоплюється полем цього переходу і проникає в колектор, створюючи струм Iк. Для того, щоб струм колектора практично дорівнював струму емітера, базу транзистора роблять у вигляді дуже тонкого шару. При зміні струму в ланцюзі емітера змінюється сила струму і в ланцюзі колектора.

Якщо в ланцюг|цеп| емітера включено джерело змінної напруги|напруження| (мал. 9), то на резисторі R, включеному в ланцюг|цеп| колектора, також виникає змінна напруга|напруження|, амплітуда якої може у багато разів перевищувати амплітуду вхідного сигналу. Отже, транзистор виконує роль підсилювача змінної напруги|напруження|.

Проте, така схема підсилювача на транзисторі є неефективною, оскільки в ній відсутнє посилення сигналу по струму, і через джерела вхідного сигналу протікає весь струм емітера Iе. У реальних схемах підсилювачів на транзисторах джерело змінної напруги включають так, щоб через нього протікав тільки невеликий струм бази

Iб = Iе – Iк.

Малі зміни струму бази викликають значні зміни струму колектора. Посилення по струму в таких схемах може складати декілька сотень.

В даний час|нині| напівпровідникові прилади знаходять|находять| виключно|винятково| широке застосування|вживання| в радіоелектроніці. Сучасна технологія дозволяє проводити|виробляти| напівпровідникові прилади – діоди, транзистори, напівпровідникові фотоприймачі і т. д. – розміром в декілька мікрометрів|мікрометри|. Якісно новим етапом електронної техніки з'явився розвиток мікроелектроніки, яка займається розробкою інтегральних мікросхем і принципів їх застосування|вживання|.

Інтегральною мікросхемою називають сукупність великого числа взаємозв'язаних елементів – сверхмалых діодів, транзисторів, конденсаторів, резисторів, сполучних проводів, виготовлених в єдиному технологічному процесі на одному кристалі. Мікросхема розміром в 1 см² може містити декілька сотень тисяч мікроелементів.

Застосування|вживання| мікросхем привело до революційних змін в багатьох областях сучасної електронної техніки. Це особливо яскраво виявилося в області електронної обчислювальної техніки.