Полупроводниковые диоды и триоды

Квант 1971, №6 с. 8-14 Тег OBFT

Проводники, полупроводники и диэлектрики

Прежде чем говорить о полупроводниковом диode и трансistorе, мы рассакжем о том, что такое полупроводники, какова их внутренняя структура и какими они обладают свойствами.

Из большого числа известных в природае полупроводников наиболее изучены кремний и германий. Это элементы, стоящие в таблице Менделеева под номерами 14 и 32.

Если говорить строго, то полупроводники — это диэлектрики, только очень слабые диэлектрики. Слабые в том смысле, что их нетрудно превращать в полупроводники. Для этого существует несколько способов. Основные из них: облучение,ombardировка полупроводников быстрыми частицами, нагревание и добавление в полупроводник соответствующих примесей.

Как известно, диэлектрики не проводят электрического тока, то есть являются изоляторами. Если на концах диэлектрического образца создать разность потенциаль и изменить ток, то он будет равен нулю. Это объясняется тем, что внутри образца нет свободных загруженных частиц, например, электронов, которые под действием электрического поля перемещались бы с одной конца образца на другой и таким образом создают бы ток. Атомы диэлектрика прочно удерживают все свои электроны и уже если отпускают их от себя, то только поменялись с соседом на другой электрон.

Иное дело в металх. Основная масса электронов и там ведет себя подобно электронам в диэлектрике. Но некоторые из них, те, которые находятся daleko от положительного заряженных ядер и потому слабо с ними связаны, при образования кристалла получают такую свободу, что могут быть по всему кристаллу. Эти электроны называются свободными электронами, или электронами проводимости. Если поместить металл в электрическое поле, то эти

свободные электроны (поскольку они обладают отрицательным зарядом) движутся в сторону, противоположную направлению электрического поля. Электрическое поле, словно ветер, сдувает их на границу образца. Гальванометр, подключенный к таким образом, зарегистирует электрический ток.

Итак, диэлектрик потому не проводит электрический ток, что в нем нет свободных носителей заряда, которые могут быть под действием электрического поля свободно движется по образцу.

Но такие заряды мы сами можем создать. Один из способов — подействовать на atom диэлектрика каким-нибудь подходящим «инструментом», например, квантом света — фотоном. Мы облучаем диэлектрик обычным светом, а еще лучше —RENTеновский лучами, так как они обладают большей энергейной, и выбиваем электроны из atomов, образующих кристалл. Таким путем в диэлектрике можно создать свободные электроны и превращать его в проводник. Ясно, что энергия, нужная для освобождения электрона, зависит преждевое от того, из каких atomов образован кристалл и как эти atomы расположены в кристалле. Другими словами, эта энергия различна для различных кристаллов. Minimalная энергия, необходимая для того, чтобы оторвать электрон от atomа и превращать его в свободный, называется энергетической щелью данного диэлектрика. Если на кристалл падает излучение, энергия квантов которого ниже, чем минимальная энергия, необходимая для освобождения электрона, то ни один из электронов не будет выбит и диэлектрик так и остanetся изоляторов.

Различие между диэлектриками и полупроводниками как раз и заключается в величеment энергетической щели. Диэлектрики с достаточно малой энергетической щелью называются полупроводниками. Энергетическая щель у полупроводников примерно в 10 раз меньше, чем у ярко выражен-ных диэлектриков, таких как, например, алмаз. Ширина энергетической щели для алмаза равна 7 38, тогда как для термания мы имеем 0,72 38, а для кремния 1,1 38*). Таким образом, чтобы полупроводник превращать в проводник, достаточно сообщить его электронам относительно небольшого небольшого небольшого небольшого небольшого smallest.

Теперь представьте себе, что мы нагреваем диэлектрик. При повышении температуры средняя энергия электронов увеличится, и многое из них будет иметь энергию, достаточно для предоления энергетической щели. В результате становится все больше свободных электронов, причем появление свободных электронов происходит тем чаще, чем выше температура, и уж, конечно, чаще всего у тех кристаллов, у которых меньше энергетической щель, то есть у полупроводников. Потому полупроводники и называют полупроводниками, что при достаточно высоких температурах (например, комнатных ~300°К) они являются проводниками, а при пожении температуры превращаются в диэлектрики. Транзисторный примерник передает работу в трехкуйний мороз, так как полупроводники, использующие в его трансисторах, превращаются в самые настоящие изоляторы.

Электроны и дырки

Пусть каким-либо образом мы выбили электрон из atomа диэлектрика и он улетел от этого atoma. В кристалле в этом месте образуется нежвача электрона или, как говоря, дырка. Интересно то, что дырка не стоит на месте, а начинает двигаться и вообще ведет себя подобно положительно заряженной частице. Вот как это происходит.

Когда у какого-то atomа неxbатает электрона, то электрон может пе-

*)1 электрон-вольт (1 38) — энергия, прибретаемая электроном при прохождения разности потенциальов в 1 волт. 1 38=1,6·10⁻¹⁹ дж.

reckочить с соседнего atoma, имеющего столько электронов, сколько нужно (рис. 1, а). Но тогда нехватка электронов обнаруживается на соседнем atomе, то есть дырка перемещается к соседнему atomу (рис. 1, б). Конечно, на самом деле это электроны с заполненных atomов перескакивают на соседние незаполненные, но удобнее говорить о движении дырки. Дырка все-taki одна, а отражает движение многох электронов. Движение дырки подбно движению положительного заряженной частицы, потому что, если под действием электрического поля электроны движется в одну сторону, то их «нехватка» движется в другую.

Будет полезно подчернуть разницу между поведением металлов и полупроводников в электрическом поле. Ток в металле создается только свободными электронами. Металл так устроен, что в нем всегда имеет то или иное их количество. В полупроводнике же при достаточно низких температурах свободных электронов нет. Эти свободные электроны

Рис. 1.

можно создать. Но при этом, отрывая электрон от atoma и представляя ему свободу, мы создаем и дырку. В дальнейшем эти электроны и дырки движут независяimo друг от друга. Получается так, что ток в полупроводнике складывается из тока электронов и тока дырок.

Может служиться так, что свободный электрон и дырка встречается, то есть что электрон при своем движении по кристаллу встречает atom, у которого как раз не хватает электрона. Он займет это свободное место, и в этот момент и электрон, и дырка исчезнет. В этом случае говорят, что произошла рекомендация. Вы вправе спросить, а зачем же тогда создавать электроны и дырки, если они рано или поздно вот так просто друг друга уничтожат? Во-первых, при наличии электрического поля электроны и дырки как частицы, имеющие разные заряды, движут в противоположные стороны, и мы можем зарегистировать ток, который они создают еще до того, как recombinируют. Во-вторых, мы не из каждого atoma выбиваем электроны, а, например, из каждого тысячиного. Мы создаем при этом значительный ток (поскольку в каждом кубищеском сантиметре кристалла примерно $10^{23}$ atomов) и оставляем достаточно свободу для движения электронов и дырок.

Полупроводниковые кристаллы выращиваются черезчайно чистыми. Это тоже делается для того, чтобы движению электронов и дырок ничего не мешало.

Доноры и акцеторы

Существует и такой способ создания свободных электронов в полупроводнике. Представим себе кристалл термания, в котором один из atomов термания заменен atomом мышьяка. У atomов термания валентность равна 4, а у atomов мышьяка — 5. Когда atom мышьяка оказывается в окружении atomов термания, пятый

Электрон мышьяка связыван с ним очень слабо (рис. 2). Чтобы его оторвать, достаточно энергии 0,1 эв, которая не превышает тепловой энергии кристалла. Таким образом, один из электронов atoms мышьяка становится свободным и страстует по кристаллу. Ввод в полупроводник примеси, имеющие более высокую валентность, мы всегда можем получить достаточно количество отрицательных носителей тока. В этом случае примесные atoms называются donorами, а сами полупроводники, содержащие примеси donorного типа, называют полупроводниками $n$ -типа.

Можно внедрить в кристалл термания трехвалentные atoms, например, алюминия. Атому алюминия, для того, чтобы прочно сидеть в кристалле термания, необходимо иметь две внешних электрона, поэтому он захватывает недостающий электрон у соседних atoms термания (рис. 3). В кристалле образуется дырка. Примесные atoms такого типа называются акцеторами $^*$ ), а полупроводники — полупроводники $p$ -типа.

Полупроводники $n$ - и $p$ -типа имеют соответствие избыточное количество отрицательных или положительных носителей тока. Избьютное — по сравнению с теми электронами и дырками, которые создают тепловые возбуждениями. Однако общий загадок из полупроводников, конечно, равен нулю, поскольку их кристаллы образуют из нейтральных atoms. Отрицательный загадок электронов в полупроводнике $n$ -типа компенсируется положительно заряженными donorными центрами, закрепленными в узлах кристаллической решетки, например, атомами мышьяка. В полупроводнике $p$ -типа положительный загадок дает двойок гастися отрицательным загадом акцеторных центров.

Переходы между полупроводниками

Возьемем два различных образца термания ( $p$ - и $n$ -типа) и приложим их друг к другу $^*$ ). Нас интересует, что будет проискодить на границе раздела (рис. 4).

Do tex пор, пока не был создан контакт между образцами, электроны в $n$ -области и дырки в $p$ -области, подхода к границе образца, отражались от поверхности и возврались в глубь полупроводника. Как

$\cdot$ ) От корня «акцетт» — принимать.

Рис. 4.

только образователься переход, ситuation изменяется. Электроны из $n$ -областии, движущиеся по направлению к границе раздела, имеют возможность перескочить в $p$ -область. Аналогично дырики из $p$ -областии просчитаются в $n$ -область. Оба эти процесса действуют в одном направлении: они стремятся зарядить термный $n$ -типа положительное, а термный $p$ -типа отрицательное. В самом деле, $n$ -область, полный заряд которого обрабатывается был равен нулю, теперь заряжается положительное, отдавая отрицательное заряженные электроны в $p$ -область. Положительно заряженные дырики, приход из $p$ -областии, только способствует этому. Термный же $p$ -типа и за счет прихода электронов, и за счет ухода дырок прибретает отрицательный заряд.

Однако весь этот процессано или поздно должен оставиться. Когда термный $n$ -типа зарядится положительно, а термный $p$ -типа — отрицательно, то образуется как бы конденсатор, и на границе возникнет электрическое поле, направленное из $n$ -область в $p$ -область (рис. 5). А это значит, что, например, электроны из $n$ -областии уже не смогут больше уходить в $p$ -область. Сильное электрическое поле на границе заставит их повернуть обратно. То же самое можно сказать и в отношении дырок. Возникшее электрическое поле понизит их шансы уйти в $n$ -область. Итак, наступит равновесие, при котором термный $n$ -типа будет заряжен положительно, термный $p$ -типа —

Рис. 5.

отрицательно, а на границе будет сильное электрическое поле, направленное из $n$ -области в $p$ -область.

Если принять потенциаль электрического поля на границе за нуль, то потенциаль $n$ -областии больше нуля, а потенциаль $p$ -областии меньше нуля (рис. 6), как будет это плактный заряженного конденсатора. Потенциаль резко изменяется в той области, где существует электрическое поле, т. е. на границе раздела между термными $p$ -и $n$ -типа. Разность потенциальов в $p$ — $n$ -переходе равна той энергии, которая необходимо иметь электрону для перехода из $n$ -области в $p$ -область, или дырке для перехода из $p$ -области в $n$ -область. Что касается дырок в $n$ -область и электронов в $p$ -область, то если им посчастливится случайно попасть на границу раздела, электрическое поле только подтолкнет их в другую область. Однако если такое случается, то это приводит к уменьшению заряда и $n$ и $p$ -областей, т. е. к уменьшению пере-

пада потенциала на границе и куменьшению электрического поля.
Но тогда найдет электроны в $n$ -области и дырки в $p$ -области, которые обладают достаточной энергейной для предоления уменышившегося потенциального бармена $^*$ ). Они прокочат через барер, и равновесие будет восстановлено. Мы видим, что равновесие между $p$ - и $n$ -области динамическое. Между ними все время проискит обмен электронами и дырками, но этот обмен эквивалентен: средний заряд $p$ - и $n$ -области остается неизменным и, следовательно, остаются неизменными перепад потенциала и электрическое поле на границе. Однако суммарный ток через границу равен нулю. Это равновесие можно нарушить, только создавая на концах $p$ — $n$ -перехода внешнюю разность потенциалов. Расмотрим теперь этот случай.

Полупроводниковый диод

Образец с $p$ — $n$ -переходом обладает одним важным свойством: он может работать в качестве диода, то есть системы, пропускаюшей ток только в одном направлении.

Постотрим, что проискит, если мы включаем $p$ — $n$ -переход в электрическую цель, то есть создаем на концах образца внешнюю разность потенциалов. Возможны два случая. Либо перепад потенциала на границе $p$ — $n$ -перехода увеличивается, либо уменьшается. равновесие между $p$ и $n$ -области, осуществляемое при помощи обмена электронами и дырками, нарушается, и средний ток через границу остается от того, увеличивается или уменьшается внешнее направление потепед потенциала, который существует в перехождение сам по себе.

Если внешнее направление увеличивается на границе, то есть уменьшить перепад потенциала, если он возрос, и наоборот. Однако этого ему не удается сделать, так как переход в электрическую цель. Средний заряд, переосимый с одной стороны $p$ — $n$ -перехода на другую, не задерживается в образце, а уходит дальнейшее по цепи. равновесие так и остается на рушенных.

Итак, при включении $p$ — $n$ -перехода под направление, обмен заря-

дами между $p$ - и $n$ -области изменяется и через переход протекает ток. Этот ток очень великий при одном значке внешнего напряжения и очень мал при другом.
Свойство полупроводникового диода пропускать ток только в одном направлении используется, например, для создания выпрямителей — устройств, преобразующих переменный ток в постоянный.
Простейшая схема такого выпрямителя изображена на рисунке 7. Для анализа работы этой схемы нам важно только тот факт, что при одном значке направления сопротивление диода ( $R_D$ ) практические равно нулю (когда он пропускает огромный ток), а при другом значке направления диод практические не проводит ток и, следовательно, его сопротивление очень велико.

Предположим теперь, что диод пропускает ток только слева направо, то есть он открыт, когда направление на входе больше нуля, и закрыт, когда оно отрицательно.
При $U_{bx} > 0$ общее сопротивление цепи
$R_D + R \approx R,$
и направление на выходе будет практическим равно входному.
При $U_{bx} < 0$ сопротивление диода бесконечно ( $R_D \gg R$ ), и, следовательно, направление направления $R$ практическим равно нулю. направление на выходе равно нулю. Таким образом, наша система преобразования затакпеременное направление в знакопостоянное.

Транзистор
Теперь мы можем рассмотреть трансistor — система, которая обведняет в себе два только что рассмотренных перехода. $p-n-p$ -тразистор — это изготовленный, например, из термания небольшой брусок, составленный из трех участков: $p$ -область, $n$ -область и опять $p$ -область (рис. 8). Каждый переход в трансistor ведет себя так, как описано выше. В частности, в каждом переходе должен наблюдаться перепад потенциала — падание из $n$ -области в каждую из $p$ -областей, так что общее распределение потенциала будет такими, как показано на рисунке 8.

В работещем трансistor каждая из трех области подключена к источ-