Полупроводниковые материалы
Но полупроводники отличаются от диэлектриков и металлов не только величиной электропроводности. Фундаментальным свойством полупроводниковых материалов есть 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), кое-какие карбиды и окислы (Cu20, MnO, TiC и др.), и железные соединения (AlSb, InSb, Mg3Sb и др).
В металлах проводимость тока осуществляется свободными электронами. В полупроводниковых материалах свободных электронов теоретически не должно быть. Чтобы покинуть атом, электрон обязан преодолеть силу связи, для этого нужна дополнительная энергия.
К примеру, в случае если элемент — полупроводник нагревать, то тепловое перемещение атомов улучшается, парноэлектронные связи неспешно ослабевают и, наконец, наступает момент, в то время, когда сообщение в некоторых местах нарушается и освободившиеся электроны хаотически передвигаются в кристаллической решетке. Исходя из этого кроме того при комнатной температуре полупроводники владеют электропроводностью, которая быстро возрастает при нагреве в связи с возрастанием числа свободных электронов в десятки тысяч (при 200°) и в много миллионов (при 800°) раз.
Наряду с этим электропроводность полупроводников приближается к проводимости металлов.
Рис. 1. Зависимость электропроводности полупроводниковых материалов от внешних факторов
Электропроводность полупроводников складывается из дырочной и электронной.
Дырочная проводимость пребывает в «перемещении» хорошего иона (дырки) от одного атома к второму за счет нарушения парноэлектронной связи, образования свободных перехода и электронов их от одного атома к второму.
В ходе теплового перемещения перемещение дырки есть хаотичным. Но, в случае если поместить полупроводник в электрическое поле, то перемещение дырок будет направленным.
Свободные электроны, перемещаясь, кроме этого реализовывают проводимость, именуемую электронной. Электронная и дырочная проводимость смогут быть равными по величине лишь в идеально чистом элементе.
В случае если в материале присутствует хотя бы незначительное количество примесей, то одна из проводимостей может оказаться преимущественной. На практике в зависимости от требований возможно создавать ту либо иную проводимость.
К примеру, в случае если забрать элемент и — чистый германий с примесью пятивалентного мышьяка, то при замещении четырехвалентного атома германия пятивалентным атомом мышьяка лишь четыре электрона последнего будут принимать участие в парно-электронных связях, а пятый выясняется весьма слабосвязанным и легко делается свободным. Следовательно, германий с примесью мышьяка будет владеть электронной проводимостью,’ либо проводимостью типа — п. Подобная примесь, дающая избыток электронов в полупроводниках, именуется донорной.
Для в основном дырочной проводимости нужно в качестве примеси вводить элемент с меньшей валентностью. В этом случае примесь именуется акцепторной, а материал в целом — полупроводником дырочного, либо р-типа.
Для германия таковой примесью может служить, к примеру, индий либо каждый элемент III группы периодической совокупности. Трансформацией количества примеси возможно оказывать влияние на проводимость полупроводника, но лишь при постоянной температуре.
Свойство полупроводиков иметь ту либо иную проводимость употребляется при изготовлении выпрямителей, генераторов и усилителей тока.
Полупроводниковые выпрямители образуются методом соединения совместно (в стык) полупроводников с электронной (л) и дырочной (р) проводимостью. Наряду с этим на границе их соприкосновения образуется так называемый р—n-переход, по одну сторону которого имеет место избыток электронов, а по другую — избыток дырок.
В следствии электронов и диффузии дырок навстречу друг другу граница полупроводников лишается свободных носителей заряда и электропроводность ее ухудшается. Получающийся слой с высоким сопротивлением именуется запорным.
Данный слой проводит электричество лишь в том случае, в то время, когда ток течет от полупроводника с дырочной к полупроводнику с электронной проводимостью. Наряду с этим запорный слой обогащается носителями зарядов и владеет хорошей проводимостью.
В случае если выпрямитель включен так, что ток обязан течь от электронного к дырочному полупроводнику, то запорный слой обедняется носителями зарядов, сопротивление его возрастает и ток заканчивается. Односторонняя проводимость тока в полупроводниках с р—л-переходом употребляется для выпрямителя переменного тока.
На данный момент промышленность производит селеновые, меднозакисные, германиевые и кремниевые выпрямители (диоды); свойства и параметры их разны.
Рис. 2. Схемы диода: а— без включения; б — при прямом включении; в — при обратном включении
Германиевые выпрямители нашли использование недавно. Для изготовления их употребляется вероятно более чистый германий в виде монокристалла, владеющий электронной проводимостью.
Кристалл разрезается на маленькие узкие пластинки, в каковые вводится примесь элемента III группы периодической совокупности, к примеру индия. Введение данной примеси снабжает создание в германии дырочной проводимости. Глубина проникновения примесей должна быть небольшой.
Коэффициент нужного действия германиевых выпрямителей достигает 98%.
Полупроводниковые усилители (триоды) в отличие от диодов складываются из трех «слоев». Обоюдное размещение их должно быть таким, дабы два слоя с однообразной проводимостью были поделены 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 является композицией из двух диодов, соединенных последовательно навстречу друг другу.
Дабы триод начал усиливать, его нужно соединить с двумя внешними источниками тока, как продемонстрировано на рис. 3,е.
Между средним и левым полупроводниками ток приложен в направлении малого сопротивления, а между средним и правым — в направлении довольно громадного сопротивления. Переход р—п, включаемый в прямом направлении, именуется эмиттерным, а переход п—р, включаемый в обратном на правлении — коллекторным.
Средний полупроводник именует ся основанием либо базой. В технике обширно используют 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 являются полупроводниковые термо, сопротивления, в которых употребляется свойство полупроводников увеличивать электропроводность при нагреве {рис. 199) В качестве материалов для термисторов применяют смеси окислов некоторых металлов.
К примеру, двуокись титана смешивают с окисью магния, закись никеля с окислом лития, окисел никеля и окисел марганца с окислом кобальта и т. д. Большая часть термосопротивлений надежно действующий при температуре не выше 300°. Отечественная индустрия производит до ста разных типов термисторов ТС.
Медномарганцовистые ММТ и кобальтомарганцовистые КМТ термисторы используют для температурных измерений, для контрольно-измерительных устройств, и для стабилизации напряжения.
Фотосопротивления ФС основаны на свойстве полупроводников увеличивать электропроводность под действием света. При облучении, т. е. при поглощении фотонов, в полупроводнике появляются дырки и дополнительные электроны, именуемые неравновесными носителями.
Дополнительная проводимость, появляющаяся в этом случае, носит название фотопроводимости.
Фотосопротивления по большей части изготавливаются из сернистого свинца, сернистого кадмия и сернистого висмута. Они имеют маркировку ФСА, ФСБ, ФСК соответственно.
Полупроводники ФСА используют вместо вакуумных фотоэлементов в звуковых кино, ФСБ применяют в приборостроении и в фотоэлектрической автоматике, фотосопротивление ФСК используют в качестве фотореле благодаря их высокой чувствительности.
