3. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ КОМПОНЕНТЫ КАНАЛОВ ВВОДА-ВЫВОДА АСУТП 3.1. Основные сведения о полупроводниковых приборах
В автоматизированных системах в основном применяются полупроводниковые приборы различного назначения. Наиболее популярными полупроводниковыми приборами являются термоэлектрические приборы, тиристоры, варисгоры, диоды, биполярные и униполярные (полевые) транзисторы, фотоэлементы, приборы на основе эффекта Холла и т.д. Если в фотоэлементах используется эффект изменения проводимости полупроводников при воздействии света, то приборы, основанные на эффекте Холла, оказываются чувствительными к изменению магнитного поля. Такие приборы позволяют измерять постоянные и переменные магнитные поля, токи, мощности, давления, микроперемещения и вибрации и т.д.
К термоэлектрическим полупроводниковым приборам относятся терморезисторы и термогенераторы. Терморезисторы используются как датчики температуры, так как сопротивление таких резисторов сильно зависит от температуры. Терморезисторы изготовляются из полупроводниковых материалов, обладающих отрицательным температурным коэффициентом. Термогенераторы применяются для непосредственного преобразования тепловой энергии в электрическую.
Тиристоры (управляемый четырехслойный переключатель), ди-нисторы (представляет собой четырехслойный диод) используются для коммутации больших токов в цепях переменного тока.
Вариаторы -~ полупроводниковые приборы, сопротивление которых в значительной степени зависит от приложенного напряжения. Они используются в системах защиты от перенапряжений, стабилизации напряжений, в функциональных преобразователях и т.д.
Полупроводниковые Оиоды - приборы, обладающие односторонней электрической проводимостью. Полупроводниковые диоды применяются в источниках питания в качестве выпрямляющих элементов, в системах автоматики, в детекторах и модуляторах, в системах автоматической настройки частоты и стабилизации напряжения и т.д.
Тринпіспюрьі - особый класс полупроводниковых приборов, приведших к подлинной революции в радиоэлектронике. О них более подробный разговор состоится ниже, после рассмотрения электрических свойств полупроводников и р-н переходов.
3.2. Электрические свойства полупроводников
Существует три вида твердых тел, которые отличаются друг от друга степенью связи валентных электронов с ядром. Если связь слабая и при температуре абсолютного нуля существуют полусвободные (полусвободные, так как они могут находиться только в объеме этого тела) электроны, такое тело относится к металлам. Эти электроны образуют как бы электронный туман внутри кристаллической решетки металла и определяют его электропроводность. Концентрация электронов проводимости относительно постоянна и слабо зависит от температуры. Это связано с тем, что в металлах зона проводимости и валентная зоны перекрываются.
В диэлектриках валентные электроны прочно связаны с ядром и в нормальных условиях электроны проводимости практически отсутствуют. Энергия, которую нужно сообщить электрону, чтобы он мог перейти в состояние полусвободного электрона, определяется шириной запрещенной зоны ?33. Для диэлектриков ширина запрещенной зоны Е33 > 5 эВ. Твердые тела, у которых ширина запрещенной зоны менее 3-х эВ, относятся к полупроводникам. В полупроводниках связь валентных электронов с ядром недостаточно прочна, и для перевода их в электроны проводимости требуется небольшая энергия, которая может быть сообщена им в виде тепла, электромагнитного поля, света и т.д. В связи с этим у полупроводников концентрация свободных носителей сильно зависит от внешних факторов. При температуре абсолютного нуля полупроводники ведут себя как диэлектрики. Удельное электрическое сопротивление полупроводников в нормальных условиях (при комнатной температуре) находится в диапазоне от 10° до 10ю Ом-см.
В различных областях радиоэлектроники для изготовления полупроводниковых приборов используются разнообразные материалы:
простые химические вещества - германий, кремний, селен, бор, теллур;
сплавы некоторых полупроводников и сложные полупроводники, образованные элементами ІЇІ и V групп периодической таблицы Менделеева, - арсенид галлия GaAs. карбид бора В4С3, карбид кремния SiC и т.д.
Собственные и примесные полупроводники. Электропроводимость чистых полупроводников определяется числом свободных электронов, образУюЩИХСЯ за счет нарушения валентных связей в кристалле. Следует отметить, что проводимость полупроводников определяется не только числом (концентрацией) электронов, но и положительными зарядами, образующимися на узлах кристаллической решетки из-за «ухода» освободившихся электронов. Эти заряды получили название дырок. При небольшом тепловом возбуждении один из соседних валентных электронов может занять эту дырку. При этом дырка появляется на новом месте, которое до этого занимал перешедший электрон. Такие переходы сопровождаются перемещением валентных электронов от одного атома к другому, а дырок - навстречу. Если концентрации электронов пп и дырок п? равны, то такой полупроводник называется собственным полупроводником, а проводимость - собственной проводимостью. Можно утверждать, что проводимость собственного полупроводника определяется только внешними факторами, в частности, температурой. Если в собственный полупроводник ввести атомы примеси, валентность которых отличается от валентности атомов данного полупроводника, проводимость полупроводника с примесью будет определяться практически только концентрацией атомов примеси. Такой полупроводник называется примесным, его проводимость - примесной проводимостью, а заряды, обуславливающие эту проводимость, - ос-новными носителями. В зависимости от валентности атомов примеси в примесных полупроводниках проводимость может быть обусловлена либо электронами, либо дырками. Отметим, что незначительное количество примесных атомов может вызвать резкий рост проводимости примесного полупроводника. Например, при введении одного атома примеси на 105 -106 атомов основного вещества, проводимость возрастает в 10 -103 раз. Проводимость такого полупроводника от внешних факторов зависит незначительно. Процесс внедрения примеси в собственный полупроводник называется легированием, а примесный полупроводник часто называют легированным.
В электронной промышленности по производству транзисторов и полупроводниковых диодов чаще всего в качестве основного вещества применяются кремний и германий. В качестве примесей в этом случае используются элементы III или V группы периодической системы элементов Менделеева.
Рассмотрим структуру кристалла кремния (можно германия), имеющего кристаллическую решетку алмазного типа. В вершинах ячеек кристаллической решетки расположены атомы кремния, связанные с четырьмя окружающими атомами с помощью четырех валентных электронов и образующие при этом весьма устойчивую ковалентную связь (рис. 3.1, а).
Если в кремний внедрить атомы вещества с пятью валентными электронами (например, мышьяка As, сурьмы So, фосфора Р), атомы примеси занимают места атомов кремния в кристаллической решетке. Для связи с атомами кремния атомы примеси используют четыре своих электрона, пятый электрон не имеет возможности вступить в связь, так как все возможные валентные связи уже образованы. Этот электрон, хотя и остается в системе своего атома, очень слабо связан с ним, и при комнатной температуре он может перейти в полусвободное состояние (рис. 3.1, б). Когда «лишний» пятый электрон покинет свое место, атом примеси оказывается ионизированным. Такие примеси называются донорными Проводимость полупроводника с до-норной примесью обусловлена электронами. Она получила название п-проводимости (говорят также - проводимость и-типа), а полупроводник с такой примесью - полупроводник п-типа. В полупроводниках «-типа электроны являются основными носителями. В число этих носителей входят также и электроны, участвующие в образовании собственной проводимости полупроводника. Дырки, участвующие в образовании проводимости собственного полупроводника (в полупроводнике без примеси), являются неосновными носителями.
Рис. 3.1. Графическое представление кристаллической решетки кристалла кремния, поясняющее механизм образования примесных полупроводников
При внедрении в собственный полупроводник (в кремний) атомов элемента III группы таблицы Менделеева (индия, галлия) в процессе образования ковалентных связей в кристаллической решетке образуется вакантное место - дырка, так как одна из связей окажется ненасыщенной. Небольшое тепловое воздействие (или иной природы внешнее возмущение) может способствовать одному из соседних (валентных) электронов занять эту дырку (рис. 3.1, в). При этом дырка появится на новом месте, а на внешней оболочке атома примеси появляется лишний электрон, превращающий его в отрицательный ион. Если к такому полупроводнику приложить разность потенциалов, то дырки начинают перемещаться по полупроводнику, перенося электрический ток. Такая проводимость получила название дырочной проводимости, или проводимости р-типа. Примесь, обуславливающая дырочную проводимость, называется ащепторной примесью. Основными носителями заряда в таких полупроводниках являются дырки, а неосновными носителями заряда - электроны. При одинаковой концентрации носителей заряда дырочная проводимость всегда меньше электронной.
Электронно-дырочный переход. Если в полупроводник «-типа ввести акцепторную примесь с большей концентрацией, то получим полупроводник /7-типа, При этом образуется узкая контактная область между полупроводниками разного типа проводимости, получившая название электронно-дырочного или р-я-перехода. Ширина этой области не превышает одного микрона. Электронно-дырочный переход образуется благодаря переходу избыточных зарядов из одного типа полупроводника в другой. Действительно, в полупроводнике «-типа избыток электронов, и электроны приграничной области переходят в полупроводник р-типа, где занимают вакантные дырки, образуя объемный слой отрицательных ионов. Таким образом происходит и переход дырок из полупроводника р-типа в полупроводник с электронной проводимостью, образуя объемный слой положительных ионов вблизи границы перехода (рис, 3.2).
После образования заряженных слоев диффузия электронов и Дырок прекращается, так как диффузии дырок в //-область препятствует слой положительных ионов в р-области и слой отрицательных ионов в «-области. Таким же образом останавливается переход электронов из «-области в ^-область. В результате перехода электронов и дырок за счет формирования объемного заряда в приграничной области образуется потенциальный барьер, преодолеть который в состоянии лишь электроны и дырки, обладающие большой энергией.
Объемный заряд представляет собой некомпенсированный заряд ионов примесей. В области объемного заряда практически отсутствуют подвижные носители, так как все заряды оказываются связанными, и эта область обладает большим электрическим сопротивлением. Поэтому эту область часто называют также обедненным или запорным слоем.
Если концентрации примесей в р- и «-областях существенно различаются, на границе двух полупроводников формируется несимметричный ^-«-переход. При большем значении концентрации акцепторной примеси, когда пр в области полупроводника р-типа существенно больше п„ области «-типа, переход называют р+-«-переходом, при большей концентрации донорной примеси - «+-р-переходом.
Независимо от соотношения концентрации примесей образование /^-«-перехода приводит к изменению характеристик полупроводника, его проводимость становится однонаправленной. Если полупроводник с р-п-переходом включить в электрическую цепь (рис. 3.3) и наблюдать зависимость величины тока в цепи от величины приложенного напряжения и его полярности, то обнаружится, что токи при разной полярности напряжения различны (рис. 3.4). Когда минус источника питания подключен к полупроводнику электронной проводимости, а плюс - к полупроводнику дырочной проводимости, считается, что ^«-переход подключен в прямом направлении. При этом внутренний потенциальный барьер компенсируется напряжением внешнего источника напряжения.
а) внешнее напряжение приложено в прямом направлении. б) внешнее напряжение приложено в обратном направлении. О,*-- напряженность поля контактной разности потенциалов
Это объясняется тем, что полярность внешнего источника напряжения направлена против полярности потен циального барьера р-я-перехода, в результате чего высота потенциального барьера уменьшается, и электроны и дырки сравнительно свободно его преодолевают. Если полярность внешнего источника напряжения обратная, то действие ее складывается с действием потенциального барьера, в результате чего высота потенциального барьера увеличивается, и переход электронов в область с дырочной проводимостью, а дырок в область с электронной проводимостью затрудняется. При этом число электронов в /?-области и дырок в л-области увеличивается, т.е. ширина /?-и-перехода увеличивается, вследствие чего через этот переход протекает обратный ток за счет неосновных носителей. Этот ток невелик, его значение составляет единицы микроампер (для сравнения можно указать характерные значения тока в прямом направлении, которые составляют от долей до десятков ампер). Обычно говорят, что при прямом напряжении р-и-переход открыт, так как через него течет большой ток. При обратном напряжении он закрыт, или заперт, так как через него течет небольшой обратный ток.
При увеличении обратного напряжения выше допустимого происходит электрический пробой р-п-перехода, так как при больших обратных напряжениях неосновные носители получают большое ускорение и приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. Возникающие при этом свободные носители, ускоряясь электрическим полем, в свою очередь производят ионизацию, порождая еще большее число носителей. В результате этот процесс приобретает лавинный характер, вследствие чего сопротивление перехода для обратного напряжения уменьшается и резко возрастает обратный ток через р-и-переход.
где q - заряд электрона; к - постоянная Болыдмана; Т - абсолютная температура; 1,шс - ток насыщения р-л-перехода, обусловленный неосновными носителями и не зависящий от приложенного напряжения. Этот ток примерно равен обратному току перехода. При комнат-кТ
ной температуре — « 0,026 В. Эту величину часто называют тем-Я
пературным напряжением или температурной разностью потенциалов. При прямом напряжении более 0,1 В можно пренебречь единицей и описать характеристику прямой ветви одним экспоненциальным членом.