Напівпровідники і їх використання

Размещено на http://www.allbest.ru/

"Напівпровідники і їх використання"

двохелектродний лампа напівпровідниковий

Вступ

За 50 рокiв застосування транзисторiв у них не з'явилося серйозних конкурентів. Постає запитання - хто ж був першовідкривачем фізичних ефектів, на використаннi яких грунтується дiя транзистора? Це ще одна "бiла пляма" у розвитку iнформацiйних технологiй в Українi. Вона пов'язана з дiяльнiстю видатного українського фiзика Вадима Євгеновича Лашкарьова (1903 - 1974) (мал. 1). Вiн по праву мав би одержати Нобелiвську премiю з фiзики за вiдкриття транзисторного ефекту, якої в 1956 р. були удостоєнi американськi вченi Джон Бардин, Вiльям Шоклi, Уолтер Браттейн.

Ще в 1941 р. В.Є. Лашкарьов надрукував статтю "Дослiдження запiрних шарiв методом термозонда" i у спiвавторствi з К.М. Косоноговою - статтю "Вплив домiшок на вентильний фотоефект у закису мiдi" (там само). Вiн встановив, що сторони "запiрного шару", розташованi паралельно границi подiлу мiдь - закис мiдi, мали протилежнi знаки носiїв струму. Це явище одержало назву p-n переходу (p - вiд positive, n - вiд negative). В.Є. Лашкарьов розкрив також механiзм iнжекцiї - найважливiшого явища, на основi якого дiють напiвпровiдниковi дiоди i транзистори.

Перше повiдомлення в американськiй пресi про появу напiвпровiдникового пiдсилювача-транзистора з'явилося в липнi 1948 року, через 7 рокiв пiсля статтi В.Є. Лашкарьова. Його винахiдники - американськi вченi Бардин i Браттейн - пiшли шляхом створення так званого точкового транзистора на основi кристала германiю n-типу. Перший обнадiйливий результат вони одержали наприкiнцi 1947 р. Проте прилад працював нестабiльно, його характеристики були непередбачуваними, i тому практичного застосування точковий транзистор не отримав.

1951 року у США з'явився надiйнiший площинний транзистор n-p-n типу. Його створив Шоклi. Транзистор складався з трьох шарiв германiю n, p i n типу загальною товщиною 1 см i був зовсiм не схожий на майбутнi мiнiатюрнi, а згодом - i невидимi компоненти iнтегральних схем.

Уже через кiлька рокiв значення винаходу американських учених стало очевидним, i вони були удостоєнi Нобелiвської премiї. Можливо, початок "холодної вiйни" або iснуюча тодi "залiзна завiса" перешко-дили В.Є. Лашкарьову стати нобелiвським лауреатом. Його iнтерес до напiвпровiдникiв не був випадковим. Починаючи з 1939 р. i до кiнця життя вчений послiдовно i плiдно дослiджував їхнi фiзичнi властивостi. На додаток до двох перших робiт у 1950 р. вiн i В.I. Ляшенко надрукували статтю "Електроннi стани на поверхнi напiвпровiдника", в якiй описали результати дослiджень поверхневих явищ у напiвпровiдниках, що згодом стали основою роботи iнтегральних схем на польових транзисторах.

Пiд керiвництвом В.Є. Лашкарьова на початку 50-х рокiв в Iнститутi фiзики АН УРСР було органiзоване виробництво точкових транзисторiв.

1.Провідники бувають p-типу і n-типу

Провідник p-типу - це провідник з акцепторними домішками, тими, що віддають вакантні місця (дірки), у якому переважає діркова провідність. Він утворюється додаванням трьохвалентної речовини до чотирьохвалентного напівпровідника. Провідник n-типу - це провідник з донорними домішками, тими, що віддають електрони, у якому переважає електронна провідність. Він утворюється додаванням пятивалентної речовини до чотирьох-валентного напівпровідника.

Властивості напівпровідникових приладів вигідно відрізняють їх від інших електронних приладів. До цих властивостей відносяться малі габарити, вага і споживання потужності, велика механічна міцність, відсутність споживання потужності на нагрівання.

Заміна лампової схеми на напівпровідникову дозволяє скоротити об'єм і споживану потужність більше, ніж у 10 раз. Також вони мають високу робочу температуру в залежності від матеріалу. Сучасні напівпровідникові прилади здатні працювати до 100 000 годин.

Потужність, розсіювана на силовому напівпровідниковому посилюючому приладі - транзисторі, досягає сотні Ватт. Силові напівпровідникові діоди працюють зі струмами в сотні Ампер.

Але: основними недоліками напівпровідникових приладів є те, що вони зовсім не виносять перевантаження по напрузі і їх характеристики залежать від температури; крім того, вони мають більші шуми, ніж лампи.

Залежно від електричних властивостей ми поділяємо речовини на провідники, діелектрики та напівпровідники. З молекулярної фізики відомо, що взаємодія між атомами твердого тіла може носити різний характер. в одних тілах вона здійснюється за допомогою валентних електронів, в інших взаємодіють іони. Міжатомна взаємодія послаблює зв'язок валентних електронів зі своїми атомами і в деяких твердих тіл стає настільки слабким, що валентні електрони можуть вільно переміщатися в кристалі. Такі речовини містять велику кількість не зв'язаних з певним атомом електронів (близько кількості атомів у даному тілі) і їх питомий опір дуже малий. Залежність питомого опору від температури визначається температурною залежністю швидкості упорядкованого руху електронів, оскільки їх концентрація зі зміною температури не змінюється. Інакше кажучи, такі тіла мають властивості, характерні для металів.

В інших твердих тілах взаємодії ще не досить для утворення вільних електронів і перетворення їх на електрони провідності. Для цього треба надати зв'язаним електронам певну додаткову енергію, наприклад, за рахунок теплових коливань атомів.

З підвищенням температури речовини зростає енергія теплових коливань і зростає кількість електронів, які дістають достатню для відщеплення від атомів енергію. В таких речовинах концентрація електронів провідності навіть при кімнатній температурі може бути значною і сильно зростати при збільшенні температури.

Отже, основною відмінністю металів від напівпровідників є те, що в металах практично всі валентні електрони є вільними, а в напівпровідниках - зв'язаними. Енергія їх зв'язку з атомами невелика, тому за рахунок додаткової енергії вони здатні переходити у вільний стан.

2.Типи напівпровідникових приладів

Двохелектродна лампа - діод - це напівпровідниковий пристрій з двома електродами, що поміщені у вакуумний балон. Тиск у балоні не повинен бути вищим за 10-6 - 10-7 мм. рт. ст. Він проводить струм лише у одному напрямку.

Принцип дії діода : позитивний полюс джерела напруги приєднується до анода, а негативний - до катода. Під дією позитивного електричного поля анода електрони, випромінені катодом, направляються до анода.

У випадку зміни полярності електрони тормозяться електричним полем повертаються до катоду. Струм через анод проходити не буде. Таким чином, важливішою властивістю двохелектродної лампи є її одностороння провідність, тому діод використовують як випрямлювач електричного струму. Вона складається з двох електричних кіл. В основне, тобто анодне коло, включені послідовно джерело напруги, дільниця анод - катод і споживач випрямленого струму у вигляді навантаження Rн. В допоміжне коло, тобто коло розжарювання катоду, включені послідовно джерело напруги розжарювання Uр ж і спіраль розжарювання. Батарея розжарювання Uрж нагріває катод до високої температури, потрібної для термоемісії електронів з катоду.

В цій схемі впродовж позитивного півперіоду анод заряджений позитивно відносно катоду. При цьому режимі роботи в просторі між анодом і катодом багато електронів, тому електричний опір між електродами відносно малий.(150-1500 Ом). При негативному півперіоді електрони, переправлені з катоду, не можуть попасти на анод, бо негативне електричне поле аноду відштовхує електрони назад на катод. Між катодом і анодом нема електронів, тому електричний опір між електродами дуже малий(десятки МОм).

Таким чином, діод працює як випрямляч. На його анод почергово подається змінна напруга обох полярностей, а струм і випрямлена напруга на навантаженні з'являється лише при позитивній напрузі на аноді.

3.Напівпровідникові прилади

Напівпровідниковий діод - це є напівпровідник, одна частина якого містить донорні домішки (і тому є напівпровідником n-типу), а друга - акцепторні домішки (і тому є напівпровідником p-типу). Від двохелектродної лампи його відрізняє те, що у ньому вільні носії заряду утворюються при додаванні домішки, донорної чи акцепторної, і потреба у джерелі напруги для розжарювання катоду відпадає. У складних схемах зекономлена внаслідок цього енергія буває досить значною. До того ж, вони компактніші за лампові. Зазначені переваги напівпровідникових приладів дозволяють використовувати їх на штучних супутниках Землі, космічних кораблях та ЕОМ. Найчастіше напівпровідникові діоди виробляють з германію, селену.

Принцип роботи напівпровідникового діоду : в поверхню напівпровідника n-типу вплавляють акцепторну домішку(наприклад, індій). Створюється p-n-перехід там, де атоми індію змішалися з атомами германію. Там, де цільний германій, у напівпровіднику катод, а там, де цільний індій - анод.

На аноді багато дірок, бо там переважає діркова провідність, а на катоді - електронів, бо там переважає електронна провідність. При під'єднанні катода до мінуса, а анода - до плюса джерела напруги електрони будуть переходити від мінуса до плюса, а дірки - навпаки. І струм при такому під'єднанні буде відносно великим, бо заряд будуть передавати основні носії заряду, ті, яких більше на електроді(частині напівпровідника). При інакшому під'єднанні (напрямі струму) заряд будуть переносити неосновні носії, яких менше, тому струм буде порівняно малий. Такий діод також випрямлює струм.

Щоб запобігти шкідливим впливам повітря, світла і т. д., напівпровідниковий діод вміщують у герметичний корпус)

4.Використання напівпровідників

Трьохелектродна лампа - тріод - називають електронний прилад, що складається з анода, катода і металічної сітки. Ці електроди введені в скляний чи металічний вакуумний балон. Сітка розташована між катодом і анодом. По суті, це той самий ламповий діод з сіткою посередині. Так як сітка розташована ближче до катоду, ніж анод, то електричне поле сітки, створюємо сітковою напругою, сильніше впливає на анодний струм, ніж електричне поле, створюємо анодною напругою. Схема включення показана на малюнку . Електричне поле аноду слабо проникає до катоду, так як сітка екранує катод від цього поля. Таким чином, зміна сіткової напруги сильніше впливає на анодний струм, ніж такі самі зміни анодної напруги.

Сіткове керування зручне тим, що необхідна для керуванням анодного струму потужність дуже мала. В електроніці часто на сітку лампи до опору R, рівному 1 МОм, підводиться напруга вхідного сигналу 1 мВ. При цьому від джерела вхідного сигналу відбирається потужність тобто одна мільйонна від одної мільйонної долі Ватта, що доводить високу чутливість тріода.

Тріоди використовувалися для підсилення струму, напруги, потужності і генерування електричних коливань в різноманітних схемах електроніки і автоматики. Їх переваги втому, що вони мають постійний коефіцієнт посилення і завдяки простоті будови надійні у роботі. А недоліки в тому, що цей коефіцієнт посилення в них невеликий, відстань між сіткою і анодом велика. До того ж з'явилися компактніші прилади з такими ж самими властивостями, наприклад, транзистори.

Транзистор - це напівпровідниковий прилад, що дозволяє управління струмом, що протікає через нього, за допомогою прикладеної до додаткового електрода напруги. Зазвичай транзистори застосовуються в підсилювачах і логічних електронних схемах. Розрізняють біполярні і польові транзистори.

В біполярному транзисторі носії заряду рухаються від емітера через тонку базу до колектора. База відділена від емітера й колектора p-n переходами. Струм протікає через транзистор лише тоді, коли носії заряду інжектуються в базу через p-n перехід. В базі вони є неосновними носіями заряду й легко проникають через p-n перехід між базою й колектором, прискорюючись при цьому. В самій базі носії заряду рухаються за рахунок дифузійного механізму, тож база повинна бути досить тонкою.

Принцип дії польового транзистора польовому транзисторі струм протікає від витоку до стоку через канал під затвором. Прикладена до затвору напруга збільшує чи зменшує ширину області збіднення, а тим самим ширину каналу, контролюючи струм.

Тетрод -- електровакуумна лампа, що має чотири електроди: катод, керуючу сітку, екрануючу сітку та анод. Екрануюча сітка розміщується між анодом і керуючою сіткою і виконується у вигляді густої спіралі, що оточує керуючу сітку. Матеріалом для виготовлення сітки є нікель, молібден, їх сплави, а також тантал та вольфрам. Принцип роботи : у тріоді між катодом та сіткою утворюється об'ємний заряд, який знижує підсилення, особливо на низьких напругах анода. Екрануюча сітка нейтралізує об'ємний заряд та підвищує підсилення лампи. На екрануючу сітку подається постійна позитивна відносно катода напруга, яка складає певну частину від анодної напруги залежно від призначення тетрода. У електронній апаратурі тетроди в основному застосовуються як потужні генераторні лампи.

Пентод - електронна лампа з п'ятьма електродами (катод, анод і 3 сітки). Застосовують у схемах генерування й підсилення електричних коливань. Принцип роботи : перша сітка - керувальна, на неї поступає вхідний сигнал. Друга сітка - екранна, працює при позитивному постійному зміщенні напруги другої сітки, тому через неї протікає струм. Третя сітка - протидинатронна, ця сітка під'єднуться до катоду, потенціал котрого рахується рівним нулю,бо всі напруги в лампі розраховуються відносно катоду. Електрони вибиті з аноду, не можуть попасти на екрану сітку через низький потенціал третьої сітки, тож вони повертаються на анод. Протидинатронна сітка робиться рідкою і має малий статичний коефіцієнт. Параметри пентоду трохи ліпші, ніж у тріода і тетрода.

Термістори є в значній мірі нелінійними приладами і найчастіше мають параметри з великим розмахом. Саме тому багато хто, навіть досвідчені інженери і розроблювачі схем випробують незручності при роботі з цими приладами. Однак, познайомивши ближче з цими пристроями, можна бачити, що термістори насправді є цілком простими пристроями. Власне кажучи термістори являють собою напівпровідникову кераміку. Вони виготовляються на основі порошків окислів металів (звичайно окислів нікелю і марганцю), іноді з добавкою невеликої кількості інших окислів. Порошкоподібні окисли змішуються з водою і різними зв'язувальними речовинами для одержання рідкого тіста, якому надається необхідна форма і яке обпікається при температурах понад 1000 градусів Цельсію. Приварюється провідне металеве покриття (звичайно срібне) і приєднуються виводи. Закінчений термістор звичайно покривається епоксидною смолою чи склом полягає в який-небудь інший корпус. Термістори мають вид дисків і шайб діаметром від 2.5 до приблизно 25.5 мм, форму стрижнів різних розмірів. Деякі термістори спочатку виготовляються у виді великих пластин, а потім ріжуться на квадрати. Дуже маленькі бусинкові термістори виготовляються шляхом безпосереднього випалювання краплі тіста на двох виводах з тугоплавкого титанового сплаву з наступним опусканням термістора в скло з метою одержання покриття.

Термістори знаходять застосування в багатьох областях. Практично жодна складна друкована плата не обходиться без термісторів. Вони використовуються в температурних датчиках, термометрах, практично в будь-якій, зв'язаній з температурними режимами, електроніці.

Фоторезистор -- елемент електричного кола, який змінює свій опір при освітленні. Принцип дії фоторезистора оснований на явищі фотопровідності -- зменшенні опору напівпровідника при збудженні носіїв заряду світлом. Найпопулярнішим напівпровідником, на основі якого виготовляються фоторезистори, є CdS. Фоторезистори застосовуються у фотоелементах, які автоматично включають вуличне освітлення в сутінках, у турнікетах метро тощо.

Основним елементом фоторезистора являється напівпровідниковий світлочутливий шар напівпровідника, який може бути виконаний у вигляді монокристалічної або полікристалічної пластини напівпровідника або у вигляді полікристалічної плівки, яка нанесена на діелектричну підложку. В якості напівпровідникового матеріалу для фоторезисторів найчастіше використовують сульфід кадмію, селенід кадмію або сульфід свинцю. На поверхню світлочутливого шару наносять металічні електроди. Іноді електроди наносять безпосередньо на діелектричну підложку перед осадженням напівпровідникового шару. Поверхню напівпровідникового світлочутливого шару, який розташований між електродами називають, називають робочою площадкою. Фоторезистори виготовляють з робочими площадками у вигляді прямокутників, міандра та кільця. Площа робочих площадок різних фото резисторів найчастіше складає від десятих частин до десятків квадратних міліметрів.

Пластину з нанесеною на неї напівпровідниковим світлочутливим шаром або пластину напівпровідника розміщують в пластмасовий або металічний корпус. Навпроти робочої площадки роблять вікно з прозорого матеріалу.

Світлодіод -- напівпровідниковий пристрій, випромінюючий некогерентне світло при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежать від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника. Сучасні світлодіоди можуть випромінювати на довжині хвилі від інфрачервоної до близького ультрафіолету, та навіть існують методи поширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру рівномірно на всіх напрямках класичні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі. Світлодіод був розвинений до лазерних діодів, які працюють на тому ж принципі, але дозволяють направлене випромінювання когерентного світла.

Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є p-n перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямі, носії заряду -- електрони і дірки рекомбінують з випромінюванням фотонів.

Не всякі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло при рекомбінації. Гарними випромінювачами є, як правило, прямозоні напівпровідники типу AIIIBV (наприклад, GaAs або InP) і AIIBVI (наприклад, ZnSe або CdTe). Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди різних довжин хвиль від ультрафіолета (GaN) до середнього інфрачервоного діапазону (PbS).

Діоди, зроблені з непрямозонних напівпровідників (наприклад, кремнієвий Si або германієвий Ge діоди, а також сплави SiGe, SiC) світло практично не випромінюють. Втім, у зв'язку з розвиненістю кремнієвої технології, роботи із створення світлодіодів на основі кремнію активно ведуться. Останнім часом великі надії пов'язують з технологією квантових точок і фотонних кристалів.

Застосування : Ефективність світлодіодів найліпше проявляється там, де потрібно генерувати кольорові світлові потоки (сигнали). Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні оптичні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синію, зелену). Усі 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом, лампа ж розжарювання втрачає близько 90% енергії світлового потоку при проходженні крізь світлофільтр. Більш того, від 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання витрачається на нагрів лампи для досягнення потрібної колірної температури (шкала Кельвіна) для якої вони спроектовані.

Світлодіодні лампи споживають приблизно від 3% до 60% потужності необхідної для звичайних ламп розжарювання аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів) дозволяє використовувати світлодіодні лампи при підвищених вібраціях, частих вмиканнях і вимиканнях (кидках струму) без помітного впливу на термін служби світлодіодної лампи -- більше 100 000 годин (більше 11 років).

Використовуючи світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовуються у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла -- інформаційних табло, світлофорів, ліхтариків, гірлянд тощо.

Органімчний світлодіод (або OLED) -- світлодіод, в якому електролюмінесценція відбувається в шарі органічного напівпровідника, розташованого між двома електродами.

Випромінювання світла в органічному світлодіоді відбувається в тонко-му люмінесцентному шарі органічного напівпровідника, в який із двох електродів інжектуються електрони й дірки. В межах люмінесцентного шару електрони й дірки рекомбінують, утворюючи екситони, частина з яких гине, випромінюючи фотон. Для інжекції електронів використовуться метали з малою роботою виходу (Ca, Mg, Al). Для інжекції дірок -- напівпрозорий електрод із InSnO. Люмінесцетний шар може складатися або з малих органічних молекул, наприклад, Alq3, або спряжених полімерів, наприклад, поліфенілінвініліну (PPV).

Для покращення характеристик діоду використовують також додаткові провідні шари для електронів і дірок. Застосування: Органічні світлодіоди забезпечують високу яскравість, покривають увесь видимий спектр і є дуже дешевими при виробництві. Вони відкривають перспективу створення телевізорів і моніторів товщиною кілька міліметрів. Яскравість органічних світлодіодів уже перевищила яскравість ламп розжарювання, що робить їх перспективними для використання в якості освітлювальних приладів.

Недолік органічних світлодіодів -- порівняно невеликий час експлуатації, який, проте, можна збільшити за рахунок надійної інкапсуляції. Наразі органічні світлодіоди використовуються в невеликих дисплеях мобільних телефонів, радіоприймачів тощо. Такі пристрої випускаються фірмами Моторола, Sony Ericson і Samsung.

Размещено на Allbest.ru