Электромонтаж Ремонт и отделка Укладка напольных покрытий, теплые полы Тепловодоснабжение

Характеристики и применение полупроводников

04.12.2018

Интерес к полупроводниковым материалам и приборам заметно возрос после того, как в 1948 г. стало известно о разработке транзистора в лаборатории фирмы «Белл телефон». В частности, очень подробно был исследован германий; история этого материала теперь известна довольно полно. Однако еще до транзистора был создан целый ряд других полупроводниковых приборов; в результате последних достижений число их быстро возрастает.

Один класс таких приборов представлен выпрямителями, детекторами и модуляторами, изготавливаемыми из таких довольно разнообразных полупроводниковых материалов, как окись меди, селен, германий и кремний. Другой класс — термисторы (или термосопротивления), которые обычно изготовляются из полупроводниковых окислов металлов, например никеля, марганца, кобальта или титана. К третьему классу, о котором следует упомянуть, относятся варисторы из карбида кремния. На фиг. 1 (слева направо) показаны: транзистор с n—р—n-переходом, изготовленный из германия; диод с р—n-переходом, изготовленный из кремния; термистор, выполненный из смеси окислов металлов; варистор — из карбида кремния. На фиг. 2 приведена фотография названных полупроводниковых материалов, на которой (слева направо) видны монокристаллический слиток германия; монокристаллический слиток кремния; смесь порошков окислов никеля, марганца и кобальта в поликристаллический образец карбида кремния.

Полупроводники, как показывает само название, составляют класс материалов с электрической проводимостью, промежуточной между проводимостью изоляторов и металлов; их проводимость лежит в пределах 10в-3 — 10в3 ом-1см-1 при температурах, близких к комнатной. Для сравнения проводимость типичных металлов в том же температурном интервале составляет примерно 10в5 ом-1см-1, а проводимость изоляторов 10в-6—10в-15 ом-1см-1 или ниже. Электропроводность полупроводников и многих изоляторов резко увеличивается с повышением температуры, в то время как электропроводность металлов убывает относительно медленно. По природе носителей тока полупроводники могут быть классифицированы на материалы с электронной, ионной и смешанной проводимостями. Il материалах с ионной и смешанной проводимостями ионы перемещаются внутри твердого тела, изменяя таким образом состав материала. Так как это приводит к нестабильным характеристикам, рассмотрим лишь такие вещества, в которых ток переносится только электронами.

Еще в 1900 г. Друде предположил, что высокая электропроводность металлов обусловлена большим числом так называемых свободных электронов. Эти электроны являются свободными в том смысле, что под действием электрического поля они перемещаются через кристаллическую решетку, создавая таким образом ток. Их число для большинства металлов — порядка одного электрона на атом, или приблизительно 10в22 электронов на 1 см3; эта плотность электронов не изменяется сколько-нибудь заметно с температурой. В современной теории полупроводников, предложенной Вильсоном около 1930 г., устанавливается, что большинство электронов в этих веществах связано с их атомами, так что остается только небольшая часть электронов (1 электрон на 10в3 — 10в9 атомов), способных проводить ток. Далее, число свободных электронов увеличивается с повышением температуры, что объясняет высокий отрицательный температурный коэффициент сопротивления в полупроводниках.

Это увеличение электропроводности с повышением температуры используется в термисторах (сокращение слов «thermal resistors»), или термосопротивлениях. Этот класс приборов, который был впервые разработан в лабораториях фирмы «Белл телефон» около 1940 г., изготовляется из смеси окислов металлов. Порошкообразные окислы в нужной пропорции смешиваются со связующим веществом и прокаливаются при высокой температуре для получения твердого юла, к которому затем присоединяются вводы. Эти приборы имеют очень стабильные характеристики и изменяют свое сопротивление только под действием тепла. Они относятся к категории омических приборов — приборов, подчиняющихся закону Ома, согласно которому напряжение прямо пропорционально силе тока и сопротивлению. Они отличаются от других полупроводниковых приборов, не обнаруживающих омических свойств. Характеристики двух материалов, обычно применяющихся для термисторов, приводятся в табл. 1. Было создано свыше 50 различных типов термисторов; более 10 млн. таких приборов работают в лабораториях фирмы «Белл телефон». Некоторые наиболее важные применения — автоматические регуляторы громкости в несущих системах, заграждающие фильтры в телефонных станциях, температурные компенсаторы и регуляторы температуры.

Чтобы лучше понять электрические характеристики полупроводников, рассмотрим их химическое строение. Химические свойства атома определяются валентными или слабо связанными электронами в самой внешней, не заполненной целиком оболочке. В изоляторе все эти валентные электроны участвуют в химических связях, которые удерживают кристалл как единое целое, так что отсутствуют свободные электроны, переносящие электрический ток. Примером хорошего изолятора является алмаз, в котором 4 валентных электрона атома углерода связаны так прочно, что не могут перемещаться под влиянием электрического поля. Хотя такие полупроводники, как германий и кремний, имеют четырех валентную решетку типа алмаза, их валентные электроны связаны не столь сильно и могут стать электронами проводимости просто за счет тепловых колебаний решетки даже при комнатной температуре или за счет энергии фотонов света. Энергия, необходимая для освобождения связанного электрона, для алмаза равна 11*10в-12 эрг (7 эв), в то время как для кремния — только 1,8*10в-12 эрг (1,1 эв), а для германия — всего лишь 1,2*10в-12 эрг (0,75 эв).

Свободный электрон дрейфует по направлению к аноду, если на кристалл наложено внешнее электрическое поле. Мы называем такой механизм проводимости проводимостью n-типа, так как ток переносят отрицательно (negative) заряженные частицы (электроны).
Характеристики и применение полупроводников

Одновременно имеет место второй механизм проводимости, который мы тоже должны рассмотреть. Когда электрон связи превращается в электрон проводимости, на его месте в зоне электронов связи (в валентной зоне) остается вакантное место, или дырка. Соседний электрон связи может переместиться и заполни нить это вакантное место; тем самым он переместит дырку в новое положение. Так как этот процесс повторяется неограниченно, свободная дырка блуждает по кристаллу почти так же легко, как свободный электрон. Под влиянием внешнего поля дырки дрейфуют и направлении, обратном направлению дрейфа электронов. Мы называем проводимость, обусловленную дырками, проводимостью р-типа, так как дырки ведут себя как положительно (positive) заряженные частицы. Эта двойственная природа проводимости —

электронная проводимость (n-тип) и дырочная проводимость (р-тип) — является основой новой полупроводниковой электроники, развитой Шокли (из лаборатории «Белл телефон») в его книге, опубликованной в 1950 г.

В приведенных выше рассуждениях мы рассмотрели только чистые (собственные) полупроводниковые кристаллы, в которых под влиянием тепла и света возникает всегда одинаковое число электронов и дырок. Добавляя к кристаллу определенные примесные атомы, можно получить кристалл, который проводит ток почти полностью с помощью электронов (n-тип) или почти полностью с помощью дырок (p-тип).

Рассмотрим кристалл германия, в котором один из атомов замещен атомом элемента из V группы периодической таблицы, например атомом фосфора. Фосфор имеет пять валентных электронов, на один больше, чем германий, так что после образования связей с четырьмя соседними атомами германия остается один лишний налетный электрон. Этот электрон очень слабо связан (энергия активации равна 1,6*10в-14 эрг=0,01 эв), и он становится свободным за счет теплового движения даже при температуре жидкого азота. Когда этот электрон уходит, атом фосфора остается положительно заряженным. При наложении электрического поля на кристалл германия, к которому добавлено много атомов фосфора, имеет место лишь проводимость n-типа, так как в процессе ионизации не образуется дырок, а положительно заряженные ионы фосфора прочно связаны в решетке германия.

Если ввести в кристалл примесные атомы из III группы периодической таблицы, например атомы бора, то имела бы место только проводимость р-типа. Это происходит потому, что бор имеет всего лишь три валентных электрона, так что в зоне связанных валентных электронов остается дырка. Эта дырка также слабо связана и свободно переносит ток, в то время как отрицательно заряженный атом бора остается неподвижным. Если одновременно добавлять примесные атомы фосфора и бора, то проводимость будет того типа, какую создает избыточная примесь, а число свободных носителей тока будет равно разности числа носителей разного типа.

При наложении на полупроводниковый кристалл внешнего электрического поля скорость свободных носителей тока прямо пропорциональна напряженности поля. Скорость в см/сек при напряженности поля 1 в/см называется подвижностью. Подвижность электронов больше подвижности дырок; как те, так и другие быстрее перемещаются в германии, чем в кремнии.

В 1 см3 германиевого кристалла с собственной проводимостью имеется 4,42*10в22 атомов, и при комнатной температуре электропроводность, обусловленная ионизированными парами электрон — дырка, равна только 0,021 ом-1см-1. Добавление фосфора (или бора) в количестве, отвечающем содержанию только одного атома на миллиард атомов германия, заметно увеличивает проводимость последнего и превращает его в кристалл n-типа (или р-типа). Важным вкладом в современную технологию полупроводников является разработка химиками и металлургами фирмы «Белл телефон» методов очистки германия и кремния до столь высокой степени чистоты. Не менее важна разработка методов получения монокристаллов этих элементов, содержащих контролируемые количества определенных примесей. Некоторые из констант германия и кремния, имеющие отношение к рассматриваемому вопросу, приводятся и табл. 2.

Если металлическое острие приводится в контакт с примесным полупроводником, то такое устройство имеет нелинейную зависимость силы тока от напряжения и действует как выпрямитель. Таким образом, этот прибор по своей характеристике является неомическим прибором. Такой класс приборов называют диодами с точечным контактом. Для образца n-типа сила тока получается больше, когда полупроводник заряжен отрицательно, а металлическое острие — положительно; сила тока будет меньше, если полюса поменять. Для образца р-типа знак эффекта изменяется на противоположный; при этом сила тока больше, когда полупроводник положителен.

Действие диода можно пояснить с помощью описанной выше картины химической связи в примесном полупроводнике. Допустим, мы контактируем металлическое острие с германиевым кристаллом, содержащим фосфор (n-тип). В кристалле избыточные валентные электроны термически возбуждены, так что атомы фосфора положительно заряжены. Электроны уходят из контактной области, оставляя, таким образом, вблизи острия положительно заряженный барьерный слой толщиной от 10в-6 до 10в-4 см. Этот барьерный слой является областью высокого сопротивления, так что при наложении внешнего напряжения между металлическим острием и полупроводником почти все падение напряжения приходится на этот слой. Если внешнее напряжение таково, что полупроводник заряжен положительно, запирающий слой увеличивается в толщине и сопротивление растет. Если полупроводник заряжен отрицательно, запирающий слой становится тоньше и при достаточно высоком напряжении исчезает полностью. Это есть направление малого сопротивления и большой силы тока. Случай контакта полупроводника р-типа с металлом аналогичен рассмотренному, за тем исключением, что свободными носителями тока являются дырки и направление внешнего поля должно быть изменено на обратное. Кремниевые диоды с точечным контактом были разработаны во время второй мировой войны и применялись в большом количестве в качестве детекторов для радаров. После войны в еще большем количестве производятся германиевые диоды с точечным контактом, применяемые в электронных приборах в качестве элементов цепей.

Транзистор с точечным контактом, разработанный Бардиным и Браттейном, был создан в соответствии с программой исследовательских работ по полупроводникам в лабораториях «Белл телефон». Он состоит из двух близко расположенных металлических контактов (острий), впрессованных в пластинку германия n-типа. К одному металлическому острию (эмиттеру) приложено смещение в прямом направлении, т. е. острие положительно, а к другому металлическому острию (коллектору) приложено смещение в обратном направлении, т. е. острие отрицательно. Полупроводник соединяется с омическим электродом большого сечения, который служит общей базой. При нулевой силе тока на эмиттере коллектор имеет высокое сопротивление для нормально существующих электронов, но при наличии тока на эмиттере вблизи эмиттера генерируются дырки. Эти дырки перемещаются к отрицательно смещенному коллектору, и прибор работает как усилитель, давая выигрыш в силе тока, напряжении и мощности.

Еще одним типом неомического полупроводникового прибора является варистор (от слов «variable resistor») из карбида кремния. Зерна карбида кремния перемешиваются с графитом и зернистой глиной, а затем прессуются в тонкие пластинки. Эти пластинки прокаливаются в соответствующей восстановительной атмосфере до тех пор, пока не образуется огнеупорная масса. Пссле присоединения электродов к двум поверхностям пластинки получается прибор, электрические характеристики которого в большом диапазоне напряжений V определяются уравнением I = KVn, где I — сила тока, К — константа, п — константа, изменяющаяся от 3 до 7 в зависимости от условий изготовления прибора и применяемого напряжения. Хотя принцип действия этого прибора не вполне понят, его неомическая природа однозначно определяется характером выпрямляющих контактов между зернами карбида кремния, которые вкраплены в изоляционную зернистую глину. Хотя варисторы из карбида кремния были впервые изготовлены около 1930 г., они не применялись широко в приборах фирмы «Бэлл телефон» до 1951 г., когда их начали использовать в телефонных аппаратах типа 500 в качестве выравнивающих цепей.

Полупроводниковые материалы, рассмотренные выше, однородны по составу по всему объему каждого монокристалла, т. е. они представляют собой полностью n-тип или р-тип. Теперь мы обратимся к материалам, в которых одна часть монокристалла умышленно изготовлена n-типа, а другая р-типа. Огромный интерес для нас представляет граница между областями двух типов проводимостей, которую мы называем р—n-переходом. Благодаря тому что р—n-переход действует как почти совершенный выпрямитель и эмиттер, он становится самым важным элементом в современной технологии полупроводников. Следуя фундаментально развитой Шокли теории P — п-перехода, опубликованной в 1949 г., мы создали следующие полупроводниковые приборы: 1) германиевые n—р—n- и р—n—р-транзисторы; 2) германиевый фототранзистор с р—n-переходом; 3) германиевый мощный выпрямитель с р—n-переходом и диод из кремния с вплавленным р—n-переходом: 4) униполярный и p—n—i—p-транзисторы; 5) недавно описанные в печати солнечная батарея из кремния с р—n-переходами, мощный выпрямитель и прибор для защиты от молнии. Свойства p—n-переходов описаны довольно полно в статье по полупроводниковым приборам.

В последние годы предметом особого интереса является совершенно новый класс полупроводниковых материалов. Этот класс представлен химическими соединениями с равным числом атомов элементов III и V групп периодической таблицы. Хотя отдельные элементы являются металлами и имеют различную кристаллическую структуру, при образовании стехиометрических соединений (в данном случае соединений с равным числом атомов компонентов) возникает решетка типа алмаза и соединения приобретают полупроводниковые свойства. Наиболее полно исследованы свойства антимонида индия (InSb), хотя изучаются также антимонид галлия (СaSb), антимонид алюминия (AlSb), фосфид галлия (GaP), фосфид индия (InP). Несмотря на то, что практически применяемых приборов на основе этого класса соединений еще не создано, предварительные результаты исследований являются многообещающими; после дополнительных усовершенствований эти приборы могут найти в дальнейшем практическое применение.
Имя:*
E-Mail:
Комментарий: