În tehnologia electronică modernă, dispozitivele semiconductoare joacă un rol excepțional. În ultimele trei decenii, au înlocuit aproape complet dispozitivele electrovacuumului. În orice dispozitiv semiconductor, există una sau mai multe joncțiuni cu electroni.
Transitionul cu electroni (sau n-p-junction) este interfata dintre doua semiconductori cu diferite tipuri de conductivitate.
Într-un semiconductor de tip n, principalele suporturi de încărcare gratuită sunt electronii; concentrația lor este mult mai mare decât concentrația de găuri (nn >> np). Într-un semiconductor de tip p, purtătorii principali sunt găuri (np >> nn). Când două semiconductori de tip n și p vin în contact, începe procesul de difuzie: găurile din regiunea p merg în regiunea n, iar electronii, dimpotrivă, de la regiunea n la regiunea p. Ca urmare, în regiunea n, în apropierea zonei de contact, densitatea electronică scade și apare un strat încărcat pozitiv. În regiunea p, concentrația gaurii scade și apare un strat încărcat negativ. Astfel, la granița semiconductorilor se formează un strat dublu electric, al cărui câmp electric împiedică difuzia electronilor și a găurilor unul către celălalt.
Stratul de barieră este regiunea limită a semiconductorilor cu diferite tipuri de conductivitate.
Stratul de barieră atinge de obicei o grosime de ordinul a zeci și sute de distanțe interatomice. Încărcările volumetrice ale acestui strat creează o tensiune de blocare U3 între regiunile p și n. aproximativ egală cu 0,35 V pentru joncțiunile n-p germaniu și 0,6 V pentru siliciu.
Legătura n-p are proprietatea conductivității unilaterale.
Dacă un semiconductor cu o joncțiune n-p este conectat la o sursă de curent astfel încât polul pozitiv al sursei să fie conectat la regiunea n. și negativ - cu regiunea p, atunci intensitatea câmpului în stratul de barieră crește. Gaurile din regiunea p și electronii din regiunea n se vor deplasa de la joncțiunea n-p, crescând astfel concentrațiile purtătorilor minoritari în stratul de barieră. Curentul prin joncțiunea n-p nu merge niciodată. Tensiunea aplicată la joncțiunea n-p în acest caz se numește invers. Un curent invers foarte mic se datorează numai conductivității intrinseci a materialelor semiconductoare, adică prin prezența unei mici concentrații de electroni liberi în regiunea p și prin găurile din regiunea n.
Dacă joncțiunea n-p este conectată la sursă astfel încât polul pozitiv al sursei să fie conectat la regiunea p. și negativ cu regiunea n, atunci intensitatea câmpului electric în stratul de barieră va scădea, ceea ce facilitează trecerea principalilor purtători prin stratul de contact. Gaurile din regiunea p și electronii din regiunea n, care se deplasează unul spre celălalt, vor intersecta joncțiunea n-p, creând un curent în direcția înainte. Curentul prin joncțiunea n-p în acest caz va crește odată cu creșterea sursei de tensiune.
Capacitatea joncțiunii n-p de a trece curentul într-o singură direcție este utilizată în dispozitivele numite diode semiconductoare.
Diodele semiconductoare sunt dispozitive semiconductoare cu o n-p-joncțiune.
Diodele semiconductoare sunt realizate din cristale de siliciu sau germaniu. Atunci când sunt transformate într-un cristal cu un anumit tip de conductivitate, o impuritate este topită, oferind un tip diferit de conductivitate.
O caracteristică tipică de tensiune curentă a unei diode de siliciu este prezentată în figură.
Volt-ampere caracteristică unei diode de siliciu.
Graficul utilizează scări diferite pentru solicitări pozitive și negative.
Semiconductorii au multe avantaje în comparație cu diodele de vid - dimensiuni reduse, durabilitate îndelungată, durabilitate mecanică. Un dezavantaj semnificativ al diodelor semiconductoare este dependența parametrilor lor de temperatura. De exemplu, diodele de siliciu pot funcționa satisfăcător numai în intervalul de temperaturi de la -70 ° C la 80 ° C. Pentru diodele germaniu, intervalul temperaturii de funcționare este ceva mai larg.
Semnalele diode sunt folosite în redresoare pentru a converti AC în DC.
Tranzistorii sunt dispozitive semiconductoare cu două n-p-joncțiuni.
De obicei, germaniul și siliciul sunt folosite pentru a crea tranzistori. Tranzistorii sunt de două tipuri: p-n-p-tranzistori și n-p-n-tranzistori.
1. p-n-p-tranzistori. Tranzistorul germaniu de tip p-n-p este o placă mică de germaniu cu impuritate donor, adică un semiconductor de tip n. În această placă sunt create două regiuni cu impurități acceptoare, adică regiunile cu conductivitate a găurilor.
Tranzistor al structurii p - n - p.
Plăcuța tranzistorului este numită baza (B), una dintre regiunile cu tipul de conductivitate opus - colectorul (K), iar cel de-al doilea - emițătorul (E). De obicei volumul colectorului depășește volumul emițătorului. În notația convențională a structurilor diferite, săgeata emițătorului arată direcția curentului prin tranzistor.
- n-p-n tranzistori. În tranzistorul n-p-n, placa principală de germaniu are o conductivitate de tip p, iar cele două regiuni create pe aceasta sunt conductivitatea tipului n.
Tranzistor al structurii n - p - n.
Ambele tranziții n - p ale tranzistorului sunt conectate la două surse curente. În Fig. 5 prezintă includerea în circuit a structurii tranzistor p - n - p. Tranziția "emițător-bază" este pornită în direcția înainte (ieșire) (circuit emițător), iar tranziția "colector-bază" este în direcția de blocare (circuit colector).
În timp ce circuitul emițătorului este deschis, curentul din circuitul colectorului este foarte mic, deoarece pentru principalii purtători ai electronilor încărcați liberi în bază și găurile din colector - tranziția este blocată.
Când circuitul emițătorului este închis, găurile - principalele suporturi de încărcare din emițător trece de la acesta în bază, creând în acest circuit un curent emițător Ie. Dar pentru găurile care cad în baza emițătorului, joncțiunea n-p din circuitul colectorului este deschisă. Majoritatea găurilor sunt capturate de câmpul acestei tranziții și pătrund în colector, creând un Ik de colector curent. Pentru ca curentul colectorului să fie practic egal cu curentul emițătorului, baza tranzistorului este realizată sub forma unui strat foarte subțire. Când curentul din circuitul emițătorului se schimbă, rezistența curentului din circuitul colectorului se schimbă, de asemenea.
În cazul în care sursa de tensiune alternativă este inclusă în circuitul emițătorului (Figura 5), atunci se produce o tensiune alternativă pe rezistorul R. Inclus în circuitul colectorului, amplitudinea căreia poate depăși de multe ori amplitudinea semnalului de intrare. În consecință, tranzistorul servește ca amplificator de tensiune AC.
Cu toate acestea, un astfel de circuit amplificator pe tranzistor este ineficient, deoarece nu amplifică semnalul curent, iar întregul curent de emițător ie trece prin sursele de semnal de intrare. În circuitele reale ale amplificatoarelor pe tranzistori, sursa de tensiune alternativă este pornită astfel încât numai un mic curent al bazei Ib = Ie - Ik curge prin ea. Modificările mici ale curentului de bază provoacă schimbări semnificative în curentul colectorului. Câștigul actual în astfel de circuite poate fi de câteva sute.
Aplicarea dispozitivelor semiconductoare.
În semiconductori, dependența conductivității electrice față de temperatură este clar exprimată: cu cât este mai mare temperatura semiconductorului, cu atât mai bine conduce curentul. Aparatele bazate pe acest efect sunt numite termorezistente sau termistori. Termistorii au găsit enorme aplicații în inginerie, medicină și agricultură. Ele sunt folosite pentru a măsura temperatura în diferite mașini și unități, ori de câte ori este necesar să se mențină o temperatură constantă și cantități fizice asociate. Cu ajutorul termistorilor, se determină temperatura solului la diferite adâncimi. Termostatele sensibile pot fi injectate direct într-un vas de sânge. Sensibilitatea acestor dispozitive este atât de mare încât se bazează pe producerea de receptoare de energie radiantă, denumite bolometre.
În prezent, dispozitivele cu semiconductori sunt utilizate pe scară largă în domeniul electronicii radio, deoarece au o serie de calități valoroase: o durată lungă de viață, dimensiuni reduse, rezistență mecanică ridicată și consum redus de energie.
Tehnologia modernă face posibilă producerea de dispozitive semiconductoare - diode, tranzistoare, fotodetectoare semiconductoare etc. - cu o dimensiune de câteva micrometri.
Utilizarea semiconductorilor a revolutionat tehnologia radio. Radiodetalii au devenit atât de miniatură încât a devenit posibil să se producă tipografic așa-numitele micromodule. Micromodulii sunt frunze subțiri, pe care sunt diode imprimate, triode, rezistențe, bobine de inducție și alte elemente ale circuitelor radio. Utilizând diverse combinații de micromodule, este posibilă fabricarea dispozitivelor radio cu parametri predefiniți.
O etapă calitativ nouă a tehnologiei electronice a fost dezvoltarea microelectronicii. care se ocupă de dezvoltarea microcircuitelor integrate și principiile aplicării lor.
Un microcircuit integrat este combinația unui număr mare de elemente interconectate - diode ultramodulate, tranzistoare, condensatoare, rezistențe, fire de conectare fabricate într-un singur proces tehnologic pe un singur cip.
Un cip cu o dimensiune de 1 cm 2 poate conține câteva sute de mii de microelemente.
Utilizarea microcipurilor a dus la schimbări revoluționare în multe domenii ale tehnologiei electronice moderne. Acest lucru este evident în special în domeniul calculatoarelor electronice. În locul unui computer greoi care conținea zeci de mii de tuburi electronice și ocupa clădiri întregi, au sosit calculatoare personale.
Semiconductorii devin din ce în ce mai importanți, îmbogățind fizica, chimia, biologia și alte științe. Studiul semiconductorilor nu a fost încă finalizat, iar astăzi este imposibil să se prevadă pe deplin dezvoltarea fizicii semiconductoare
Trimiteți-le prietenilor: