2.3 Полупроводниковые приборы

Полупроводниковыми называются такие электронные при­боры, действие которых основано на физических явлениях, свя­занных с протеканием электрического тока в кристаллических полупроводниках.

Характерной особенностью полупроводниковых веществ яв­ляется то, что их электрическая -проводимость а меньше, чем у металлов, и больше, чем у диэлектриков; как правило, она обусловлена переносом электронов и возрастает при повышении температуры Т (рис. 2.19).

На базе полупроводников изготовляются полупроводниковые диоды, триоды (транзисторы), тетроды и др. В радиоэлектронике наиболее широко применяются полупроводниковые диоды и тран­зисторы. С их помощью производится преобразование электри­ческой энергии одного вида в другой: выпрямление переменного тока, генерирование и усиление электри­ческих сигналов, преобразование частот и т. п.

Выпускаемые нашей промышленностью полупроводниковые приборы делят по сле­дующим признакам: по полупроводнико­вому материалу — германиевые, кремние­вые, арсенидгалиевые и др.; по типу р—n-контакта — точечные и плоскостные; по мощности — малой, средней и большой мощности; по частотным признакам — низ­кочастотные, высокочастотные, сверхвысо­кочастотные; по назначению — выпрями­тельные, усилительные, импульсные, уни­версальные, переключающие, стабилитроны и др.

2.3.1 Некоторые сведения об энергетической структуре вещества

Из теории строения вещества известно, что атом состоит из положительно заряженного ядра и движущихся относительно ядра электронов, имеющих отрицательный заряд (рис. 1.1).

Каждый электрон обладает определенной кинетической энер­гией и испытывает действие кулоновской силы притяжения со стороны ядра. Следовательно, кроме пространственной схемы устройства атома его условно можно представить в виде энерге­тической диаграммы (рис. 2.20, а). В этом случае электроны в зависимости от их энергии располагаются на различных дискрет­ных энергетических уровнях.

Казалось бы, что все электроны под действием силы притяже­ния ядра должны находиться на ближайшем к ядру уровне. Од­нако в природе существует так называемый принцип запрета, ко­торый говорит о том, что на одном энергетическом уровне не может быть больше двух электронов, да и то имеющих противо­положные спины (±5).

Таким образом, число энергетических уровней в одиночном (изолированном) атоме будет зависеть от числа электронов в атоме, т. е. от его строения. Характерно, что Электроны в изоли­рованном атоме имеют не любые энергии, а лишь строго опреде­ленные дискретные уровни W₁, W₂, ..., W_n. Следовательно, между энергетическими уровнями в атоме данного вещества имеются промежутки, в пределах которых энергия для его электронов «запрещена».

При образовании кристалла твердого тела отдельные атомы сближаются друг с другом на малые расстояния. При этом меж­ду атомами возникают новые силы. Это силы взаимодействия ме­жду ядрами атомов, между электронами, принадлежащими раз­ным атомам, и между всеми ядрами и всеми электронами.

Под влиянием этих дополнительных сил энергетические уров­ни в кристаллах изменяются. Одни уровни несколько повыша­ются, другие понижаются. Таким образом, в кристаллах энер­гетические уровни расщепляются, образуя энергетические зоны разрешенных энергий с энергетической шириной порядка несколь­ких электрон-вольт (рис. 2.20, б).

1 электрон-вольт (эВ) — это такая энергия, которую приобре­тает 1 электрон при действии на него разности потенциалов 1 вольт.

Зоны разрешенных энергий полупроводников отделяются друг от друга зонами запрещенных энергий шириной также порядка нескольких электрон-вольт.

Не все зоны имеют одинаковую ширину. Чем ближе электрон­ная оболочка к ядру, тем сильнее ядро удерживает электрон на своем уровне, тем уже зоны разрешенных энергий. С увеличением энергии W ширина разрешенных зон увеличивается, а запрещен­ных — уменьшается.

Разрешенные энергетические зоны могут быть полностью за­полнены электронами, частично заполнены или совершенно сво­бодными. Это зависит от числа электронов в атоме данного ве­щества.

Если электрон под влиянием тепловой энергии или сильного электрического поля будет переброшен, например, в свободную зону или на свободные уровни не полностью заполненной зоны, то такой возбужденный электрон уже не будет принадлежать ка­кому-то одному определенному атому. Он как бы обобществля­ется (коллективизируется) и становится свободным электроном (не связанным с атомом). В этом случае под влиянием приложен­ного электрического поля электрон будет перемещаться, созда­вая ток проводимости.

Такая верхняя в энергетической схеме зона называется зоной проводимости, а разрешенная зона, расположенная ниже ее, где электроны связаны со своими атомами, называется валентной зоной.

Так как ближние к ядру зоны мало влияют на свойства кри­сталлов, то обычно пользуются упрощенной энергетической схе­мой, на которой изображают только три зоны: валентную, про­водимости и между ними — за­прещенную зону (рис. 2.21).

Рассмотренная нами зонная теория сравнительно легко объ­ясняет многие вопросы при изу­чении полупроводников. Она по­казывает, чем отличаются полу­проводники от диэлектриков и металлов, а также определяет физические процессы в собствен­ных и примесных полупроводниках; объясняет зависимость со­противления полупроводников от температуры, изменение элект­ропроводимости у различных металлов.