Методические указания

Прежде всего следует уяснить, как в химически чистом проводнике возникает собственная проводимость, какие факторы обуславливают ее увеличение и что является носителем электрических зарядов в полупроводниках.

Изменение электропроводности полупроводника зависит от воздействия различных факторов: сжатия или растяжения полупроводника, введения донорных или акцепторных примесей, изменения температуры, освещенности, электромагнитного поля.

Необходимо ясно представлять сущность полупроводников с примесной электронной и дырочной проводимостью, не забывая о том, что они обладают и собственной проводимостью. В полупроводниках с электронной примесной проводимостью (донорная примесь) основными носителями заряда являются свободные электроны, неосновными – дырки, а в полупроводниках с дырочной примесной проводимостью (акцепторная примесь) основные носители – дырки, неосновные – свободные электроны.

При изучении этой темы особенно важно понять, как формируется р-n переход, возникающий в тончайшем слое на границе соприкосновения полупроводника с металлом или двух полупроводников с разной проводимостью; какими свойствами он обладает и как изменяется под действием электрических полей.

В приграничном слое происходит рекомбинация основных носителей заряда, в результате чего этот слой лишается подвижных носителей заряда, его электрическое сопротивление резко возрастает, образуется запирающий слой. Области, примыкающие к запирающему слою, получают избыточный неподвижный разноименный заряд (ионы доноров и акцепторов), препятствующий расширению запирающего слоя. Устанавливается потенциальный барьер (контактная разность потенциалов): со стороны n-области образуется положительный заряд, а со стороны р-области - отрицательный. Чтобы создать возможность прохождения основных носителей зарядов, нужно приложить напряжение от внешнего источника питания плюсом к р-области и минусом к n-области. При этом потенциальный барьер скомпенсируется, а внутреннее сопротивление резко уменьшится и через запирающий слой потечет ток основных носителей зарядов (прямой ток). Если изменить полярность питающего напряжения, то потенциальный барьер для основных носителей резко увеличится (обратное напряжение) и через переход потечет обратный ток очень малой величины, обусловленный не основными носителями зарядов.

При изучении данной темы важно понять, что р-n переход ведет себя, как плоский конденсатор (барьерная емкость), емкость которого изменяется в зависимости от приложенного напряжения. Кроме барьерной емкости, р-n переход представляет собой диффузионную емкость, величина которой пропорциональна величине тока через переход и становится малой, когда на переход подано обратное напряжение.

При увеличении обратного напряжения до определенного критического значения может произойти пробой р-n-перехода. Различают электрический (туннельный, полевой и лавинный) и тепловой пробои. Вследствие малой ширины р-n перехода напряженность электрического поля в нем достигает большой величины при сравнительно небольших напряжениях, и создаются условия для пробоя.

Туннельный пробой проявляется в том, что под действием сильного электрического поля в узком р-n-переходе электроны преодолевают потенциальный барьер и образуют сравнительно большой обратный ток при небольших обратных напряжениях. Лавинный пробой характерен тем, что под действием сильного электрического поля носители заряда, попавшие в переход, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов. При этом происходит лавинообразное нарастание свободных носителей заряда. Лавинный пробой сопровождается увеличением температуры перехода, и при плохих условиях теплопередачи может произойти тепловой пробой, который часто приводит к разрушению переходов.

При изучении биполярных транзисторов нужно обратить внимание на статические характеристики и схемы включения. Следует отметить, что наибольшее применение получила схема с общим эмиттером.

В последние годы все больше применяются униполярные полевые транзисторы с модулируемым каналом, образующимся между истоком и стоком, под воздействием входного управляющего напряжения, приложенного между затвором и истоком, а также полевые транзисторы с изолированным металлическим затвором, имеющие структуру МОП (металл-окисел-полупроводник). В них токопрохождение осуществляется одним видом носителей зарядов, а изменение величины выходного тока происходит под воздействием изменяющегося входного напряжения. Благодаря более простой технологии они широко используются в микроэлектронике.

При изучении динисторов и тиристоров особое внимание следует уделить их вольтамперным характеристикам и области применения в технике, в том числе сельскохозяйственной (в системах электрооборудования автомобиля, трактора, комбайна), а также маркировке основных наиболее широко применяемых приборов.

Литература: 1, с. 385-413; 3, с. 457-510; 4, с. 231-251; 5, с. 55-104; 6, с. 31-81.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называется собственной проводимостью полупроводника?

2. Что называется примесной проводимостью?

3. Как изменяется собственная проводимость полупроводника при увеличении температуры?

4. Что представляет собой запорный слой р-n перехода?

5. Как изменится толщина р-n перехода при прямом и обратном напряжении?

6. Что называется транзистором? Какие возможные схемы их включения?

7. Чем отличаются биполярные и униполярные транзисторы?