Примесная проводимость полупроводника

Действие всех полупроводниковых приборов основано на примесной проводимости полупроводников, которая осуществляется путем введения в кристаллическую решетку полупроводника атомов других веществ – примесей. В зависимости от рода введенной примеси в таких полупроводниках преобладает либо электронная (электропроводность n-типа) либо дырочная (электропроводность p-типа).

В зависимости от сорта примесных атомов различают донорные и акцепторные примеси.

Примесный атом, отдающий электрон под действием тепловой энергии решетки, называют – донорным. Донорные примеси образуются при введении в кристаллическую решетку германия атомов мышьяка, сурьмы или других веществ, которые имеют на внешней электронной оболочке по пять валентных электронов.

Он замещает один из атомов германия в кристаллической решетке образуя двухвалентные связи с соединенными четырьмя атомами германия.

Пятый валентный электрон атома мышьяка, оказывающийся «лишним», может оторваться от этого атома, превращая его в положительный ион, и перейти в зону проводимости.

Акцепторные примеси образуются введением в кристаллическую решетку полупроводника атомов индия, галлия или других трехвалентных элементов. Атом акцептора так же занимает место в кристаллической решетке, но обменивается с соседними четырьмя атомами только тремя электронами.

На образование двухэлектронной связи с одним из соседних атомов германия у атомов индия не хватает одного электрона, то есть между этими двумя атомами получается незаполненная валентная связь, или дырка.

Электрон одного из соседних атомов германия может занять незаполненную валентную связь, вызывая появление новой дырки. Таким образом, проходит непрерывное исчезновение и возникновение по соседству незаполненных связей. Процесс заполнения незаполненной валентной связи электроном называется рекомбинацией.

Основными носителями тока в полупроводнике являются дырки или электроны, но в каждом из них есть и носители противоположного знака – неосновные носители тока.

1.4 Полупроводниковые резисторы

Полупроводниковыми резисторами называют п-п приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнитного излучения, приложенного напряжения и других факторов. Они все имеют нелинейные ВАХ (из курса ТОЭ).

Терморезистор (термистор) – полупроводниковый прибор, сопротивление которого значительно изменяется при температуре. Имеет вид диска, цилиндра, стержня, шайбы, бусинки. Обладает отрицательным температурным коэффициентом сопротивления. Типовая вольтамперная характеристика термистора показана на рисунке 1.16.

Начальный участок почти линеен, т. к. при малых токах мощность рассеяна терморезистора мала и не влияет на его температуру (ОА). С ростом тока растет температура, его сопротивление уменьшается, на участке ВС напряжение падает. Часто пользуются температурной характеристикой термистора R = f (t°).

Параметры:

1 Холодное сопротивление (при t = 20 °C).

2 Температурный коэффициент сопротивления (TKR), %.

3 T°_max, τ, P_max.

Применяют: для измерения и регулирования температуры, термокомпенсации.

R = f (t)

U = f (I)

0

0

T °C

I

R

C

B

A

U

Рисунок 1.16 – ВАХ и температурная характеристика термистора

Маркировка: 1эл – СТ – резисторы (сопротивления) термочувствительные. Т и ТШ – резисторы измерительные, ТП – стабилизирующие, ТКП – регулируемые бесконтактные. 2эл – цифра – тип полупроводника, 1 – кобальт-марганец, 2 – медно-марганцевые, 3 – медно-кобальт-марганцевые, 4 – кобальт-никель-марганцевые. 3эл – номер конструкторской разработки.

Например: СТ2-26, СТ4-15, ММТ-6, ТШ-2, ТКП – 450.

Позисторы – полупроводниковые термисторы с положительным температурным коэффициентом (титанат бария с примесями) – сопротивление увеличивается при увеличении температуры.

Основные характеристики – вольтамперная и температурная (рисунок 1.17).

Включая позистор последовательно и параллельно с резистором можно изменять форму характеристики. Параметры аналогичны параметрам термистора.

Применяют: для АРУ и температуры, термокомпенсации, в схемах ограничителей и стабилизаторов тока, для предохранительных приборов и устройств защиты от перегрева, в качестве бесконтактных переключающих элементов.

R,Ом

R = f (t)

t, °С

100

-50

0

50

10³

10⁴

10⁵

Рисунок 1.17 – ВАХ и температурная характеристика позистора

Варисторы – полупроводниковые резисторы (из карбида S_i), сопротивление которого зависит от приложенного напряжения.

I, мА

I = f (U) – ВАХ варистора, нелинейная (рисунок 1.18).

U, В

0

I = f (U)

20

20

10

10

-10

-20

-20

-10

Рисунок 1.18 – ВАХ варистора

Параметры:

• статическое сопротивление при постоянных значениях тока и напряжения R_ст = U / I;

• динамическое сопротивление переменному току R_д = ∆U / ∆I;

• коэффициент нелинейности – отношение статического сопротивления к динамическому в данной точке характеристики β = R_ст / R_д;

• показатель нелинейности;

• U_max.имп. P_{расс. max}.

Применяют: для регулирования электрических величин, стабилизации токов и напряжений, для защиты элементов от перенапряжений.

Маркировка состоит из 4 элементов:

1эл – буква СН (сопротивление нелинейное);

2эл – цифра, тип п-п материала (1 – карбид S_i);

3эл – цифра, тип конструктивного выполнения (1 – стержневой, 2 - 3 -);

4эл – цифра, соответствует длине токоведущего элемента.

Например: СН1 -1, СН -3.

Тензорезистор – пластина или стержень из полупроводника, с омическими контактами, при деформации которого происходит изменение его удельного сопротивления.

Чаще всего используют при двух видах деформации: 1 – всестороннем сжатии, 2 – одностороннем сжатии или растяжении.

При одноосной деформации – нарушается симметрия кристалла, что приводит к искажению формы активных зон и изменению эффективной массы носителей заряда и к изменению концентрации заряда.

Один конец пластины закрепляется неподвижно, а на другой действует сила F. Для характеристики изменения сопротивления при деформации – коэффициент тензочувствительности.

m = =

• отношение относительного изменения сопротивления к относительной деформации в данном направлении (l – размер п-п в направлении деформации).

Для уменьшения влияния t° на величину сопротивления тензорезисторы изготавливают из примесных полупроводников.

m = 150 – 175 (для T_e и S_i)

Фоторезисторы – полупроводниковые приборы, электрическое сопротивление которого изменяется под действием светового потока (обычно R резко уменьшается).

Конструкция: светочувствительный элемент – прямоугольная или круглая таблетка, спрессованная из полупроводникового материала или тонкая пленка на стеклянной подложке с электродами с малым переходным сопротивлением (рисунок 1.19). (Наиболее применяемы фоторезисторы на основе сернистого и селенистого свинца, или кадмия).

изолятор

электроды

светочувствительный элемент

R_н

E

+

-

Ф

Рисунок 1.19 – Конструкция фоторезистора

При отсутствии тока через фоторезистор течет темновой ток: I_T = , где - темновое сопротивление фоторезистора.

При освещении – световой ток I_C = , I_Ф = I_C – I_T – первичный фототок.

Основные характеристики (рисунок 1.20):

• спектральная;

• световая;

• вольтамперная.

Принцип действия: при увеличении светового потока часть электронов проводимости сталкивается с атомами, ионизирует их и создает дополнительный поток электронов (возникает фототок проводимости).

Вольтамперная – зависимость фототока (или темнового тока) от приложенного напряжения при постоянном световом потоке. I_Ф (I_T) = f (U_Ф) = const – близка к линейной.

Световая – зависимость фототока от падающего светового потока постоянного спектрального состава.

Спектральная – зависимость чувствительности фоторезистора от длины волны светового излучения.

2

1

= f (λ)

λ, мкм

4

3

0

20

40

60

E

U

I_ф

I_ф = f (E)

U = const

Ф = const

I_ф = f (U)

I

Рисунок 1.20 – Характеристики фоторезистора

Основные параметры:

• темновое сопротивление R_T, τ;

• темновой и световой токи;

• удельная чувствительность – отношение фототока к произведению светового потока на приложенное напряжение: K₀ = , где I_Фопр. при изменении освещенности от темноты до 200 лк.;

• рабочее напряжение. Р_{max.расс.}

Маркировка: ФСК -1, ФСК – 2, ФСА – 6, СФЗ – 1.

Применение: в промышленной электронике, позволяет заменить зрение человека автоматически действующим прибором. В телевидении, фототелеграфии, сигнализации и связи в диапазоне инфракрасных волн и в схемах электронной автоматики.

Магниторезисторы – полупроводниковые резисторы, электрическое сопротивление которых существенно изменяется под действием магнитного поля.