Содержание

1 Полупроводниковые приборы 2

1.1 Электронно-дырочные и металлополупроводниковые переходы 2

1.1.2 Электропроводность полупроводников 2

1.1.3 Электронно-дырочный (p-n) переход 4

1.1.4 Переход Шоттки 8

1.1.5 Тоннельный эффект 9

1.1.6 Эффект Холла 10

1.2 Устройство, классификация и основные 11

параметры полупроводниковых диодов 11

1.2.1 Классификация и условные обозначения полупроводниковых диодов. 11

1.2.2 Стабилитроны. 12

1.2.3 Фотодиоды 13

1.2.4 Светодиоды 13

1.3 Биполярные транзисторы 14

1.3.1 Классификация транзисторов 14

1.3.2 Устройство биполярных транзисторов. 15

1.3.3 Принцип действия биполярных транзисторов. 15

1.3.4 Статические характеристики транзисторов 16

1.3.5 Схема замещения транзистора 18

1.4 Полевые транзисторы 20

1.4.1 Устройство и принцип действия полевых транзисторов с управляющим p-n переходом. 20

1.4.2 Полевые транзисторы с изолированным затвором 22

1.4.3 Транзистор с индуцированным каналом и изолированным затвором 24

1.5 Тиристор 25

1.5.1 Принцип действия тиристора 25

1.5.2 Характеристики цепи управления тиристором 27

1.6 Биполярный транзистор с изолированным затвором. 28

1.7 ОПТОЭЛЕКТРОНИКА 29

1.7.1 Общие сведения. 29

1.7.2 Источники оптического излучения 29

1.7.3 Приемники оптического излучения 31

1 Полупроводниковые приборы

1.1 Электронно-дырочные и металлополупроводниковые переходы

1.1.1 Зонная энергетическая диаграмма.

У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные электроны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектриков, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно сравнительно небольшого количества энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещённость, сильное электрическое поле) чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными.

Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной.

Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости.

Графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетической диаграммой.

Для того, чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стать свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещённой зоны.

Рис. 1.1 Энергетические диаграммы

1.1.2 Электропроводность полупроводников

Собственная проводимость полупроводников.

Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой. Кристаллическая структура полупроводника на плоскости может быть определена следующим образом.

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой.

В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi. То есть ni=pi. Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда. Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда. Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счёт собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.

Рис. 1.2 Структура четырехвалентного полупроводника

Примесная проводимость проводников.

Так как у полупроводников i-типа проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным. За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.

Примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью.

Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n-типа.

В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями заряда.

При введении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.

Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником p-типа.

В полупроводнике p-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.

Реальное количество примесей в полупроводнике составляет примерно 10¹⁵ 1/см3.

а) б)

Рис. 1.3 а) – полупроводник n-типа, б) – полупроводник р-типа

Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.

Дрейфовый ток в полупроводнике (ток проводимости)– это ток, возникающий за счёт приложенного электрического поля. При этом электроны движутся навстречу линиям напряжённости поля, а дырки по направлению линий напряжённости поля. Диффузионный ток – это ток, возникающий из-за неравномерной концентрации носителей заряда n2>n1. n2-n1=Δn.

Отношение – это градиент неравномерности концентрации примесей. Величина диффузионного тока будет определяться градиентом неравномерности и будет составлять

I_n.диф=e⋅D_n⋅,Ip.диф=−e⋅Dp⋅, (1.1)

где D_p и D_n – коэффициенты диффузии.