PÓŁPRZEWODNIKOWE ELEMENTY BIERNE

Przewodnictwo typu N polega na zanieczyszczeniach donorowych, dających elektrony swobodne, a przewodnictwo typu P — na zanieczyszczeniach akceptorowych dających dziury elektronowe.

Im więcej atomów domieszki (zanieczyszczenia) wprowadzimy do sieci krystalicznej półprzewodnika, tym więcej będzie ładunków swobodnych w jej wnętrzu i tym łatwiej półprzewodnik będzie przewodził prąd elektryczny. Wynika stąd, że rezystywność półprzewodnika jest tym mniejsza, im więcej atomów domieszki znajduje się w tym półprzewodniku.

Na rezystywność półprzewodnika mają wpływ również czynniki zewnętrzne, takie jak: temperatura, zewnętrzne pole elektryczne i promieniowanie elektromagnetyczne (np. świetlne). Powodują one wewnętrzną emisję elektronów swobodnych (na skutek jonizacji atomów półprzewodnika wewnątrz siatki krystalicznej) umożliwiając tym samym przewodzenie prądu przez półprzewodnik.

Wymienione właściwości półprzewodników są wykorzystywane do budowy rezystorów półprzewodnikowych takich jak: termistory, warystory i fotorezystory. Rezystory półprzewodnikowe są zbudowane z jednego rodzaju półprzewodnika — albo typu N, albo typu P.

Bardzo ciekawe zjawiska występują na granicy zetknięcia dwóch różnych półprzewodników: jednego — typu P, a drugiego typu N.

Przed zetknięciem oba kryształy są obojętne elektrycznie (rys. a). W krysztale typu N znajdują się elektrony swobodne (ładunki ujemne), a w krysztale typu P — dziury (ładunki dodatnie). Zarówno elektrony swobodne, jak i dziury zachowują się podobnie jak gaz — im wyższa jest temperatura półprzewodnika, tym szybciej drgają i równomierniej wypełniają wnętrze półprzewodnika.

Ilustracja zjawisk zachodzących w złączu PN: a) półprzewodniki przed złączeniem;
b) półprzewodniki po złączeniu; c) rozkład ładunków swobodnych po spolaryzowaniu w kierunku zaporowym (w stanie zatkania); d) rozkład ładunków po spolaryzowaniu w kierunku przewodzenia

I_w — prąd wsteczny, I_p — prąd przewodzenia, w₁ — warstwa o dodatnim ładunku wypadkowym, w₂ — warstwa o ujemnym ładunku wypadkowym, m₁, m₂ — wyprowadzenia metalowe

Po zetknięciu półprzewodników, elektrony swobodne i dziury podlegają zjawisku dyfuzji, to znaczy, że elektrony zaczynają przechodzić z obszaru typu N do P, a dziury z obszaru typu P do N. W wyniku tego, przy złączu półprzewodnika, w obszarze typu N tworzy się warstwa w₁ nieskompensowanego ładunku dodatniego, a w półprzewodniku typu P — warstwa w₂ nieskompensowanego ładunku ujemnego. Ładunek dodatni po stronie N złącza odpycha dziury, a zatem hamuje dalszą dyfuzję z półprzewodnika typu P do N: Natomiast ładunek ujemny po stronie P złącza odpycha elektrony, a zatem hamuje dalszy przepływ elektronów z N do P.

Warstwy w₁ i w₂ po obu stronach złącza tworzą tzw. warstwę zaporową, która uniemożliwia dalszą dyfuzję dziur i elektronów. Dochodzi do stanu równowagi, w którym przez złącze ładunki nie płyną.

Jeżeli do wyprowadzeń metalowych m₁ i m₂ doprowadzimy napięcie zewnętrzne o polaryzacji przedstawionej na rys. c, to elektrony swobodne w płytce typu N i dziury w płytce P będą przyciągane do wyprowadzeń m₁ i m₂, a zatem warstwa zaporowa ulegnie poszerzeniu. Zatem złącze nadal stanowi zaporę na drodze ładunków swobodnych — mówimy, że zostało spolaryzowane zaporowo. Płynie wówczas bardzo mały prąd I_w ≈ 0 dzięki temu, że w warstwie zaporowej ma miejsce termiczna generacja dziur i elektronów, a nie dlatego, że złączone półprzewodniki były domieszkowane.

Jeżeli kierunek napięcia zewnętrznego zamienimy na przeciwny (rys. d), to elektrony swobodne w płytce N, a dziury w płytce P, będą odpychane od wyprowadzeń m₁ i m₂ w kierunku złącza. Będą one przepływać przez złącze w kierunkach oznaczonych na rys. d, a zatem złącze będzie przewodzić prąd I_p >> 0. Ubytek elektronów i dziur w płytkach N i P będzie uzupełniany przez wyprowadzenia metalowe m₁ i m₂. Prąd I_p jest tym większy, im większe jest napięcie U oraz im mniejsza jest rezystancja źródła napięcia i im więcej były domieszkowane obie płytki półprzewodnika. Mówimy, że w opisanym stanie złącze zostało spolaryzowane (przez źródło napięcia U) w kierunku przewodzenia.

Wynika stąd, że złącze PN działa podobnie jak dioda próżniowa — w jednym kierunku przewodzi prąd, a w drugim prądu nie przewodzi (wobec prądu I_p prąd I_w jest pomijalnie mały).

Złącze PN jest zasadniczą częścią każdej diody półprzewodnikowej, każdego tranzystora i każdego tyrystora. Schemat złącza PN wraz z wyprowadzeniami oraz jego symbol graficzny przedstawiono na rysunku.

Złącze półprzewodnikowe PN(dioda półprzewodnikowa):
a) złącze z doprowadzeniami; b) symbol graficzny złącza

A - anoda, K - katoda

Najważniejszymi materiałami używanymi do produkcji elementów półprzewodnikowych są krzem i german.

Krzem jest stosowany do budowy diod, tranzystorów, tyrystorów i układów scalonych, a german — do budowy hallotronów, diod, tranzystorów i termistorów.

W wielu przypadkach diody i tranzystory germanowe są wypierane przez diody i tranzystory krzemowe. Dzieje się tak dlatego, że elementy krzemowe mogą pracować w temperaturze do 200°C i przy napięciach do 1100 V, podczas gdy germanowe — do 70°C i 600 V.

TERMISTORY I WARYSTORY

Termistory i warystory są nieliniowymi rezystorami półprzewodnikowymi.

Termistor i warystor

Cechą charakterystyczną półprzewodnikowych elementów rezystancyjnych jest duża zależność ich parametrów od temperatury. W przypadku termistorów jest ona wykorzystywana technicznie.

Termistory są rezystorami o rezystancji znacznie zmieniającej się przy zmianach temperatury według z góry zadanej (technologicznie) funkcji. Uwzględniając przebieg zmian rezystancji w zależności od temperatury termistorów, możemy je podzielić na trzy grupy (rys.):

termistory o rezystancji malejącej przy wzroście temperatury, tzw. termistory NTC (z ang. Negative Temperature Coefficient - ujemny współczynnik temperaturowy), termistory o rezystancji rosnącej przy wzroście temperatury, tzw. termistory PTC (z ang. Positive Temperature Coefficient - dodatni współczynnik temperaturowy), termistory wykazujące gwałtowne zmniejszenie rezystancji w pewnym zakresie temperatury, tzw. termistory CTR (z ang. Critical Temperature Resistor - rezystor temperatury krytycznej).

Charakterystyki typowych termistorów R25 - rezystancja termistora w temperaturze 25°C

Termistory są produkowane z tlenków metali (np. niklu, manganu lub żelaza) w postaci pastylek, perełek, pręcików lub wałków z dwoma wyprowadzeniami elektrycznymi. Znajdują zastosowanie jako czujniki temperatury - np. do szybkiego pomiaru temperatury, do kompensacji zmian temperatury we wzmacniaczach tranzystorowych oraz jako detektory promieniowania podczerwonego. Termistory CTR mają zastosowanie jako czujniki przekroczenia temperatury. Zakresy temperatury pracy różnych termistorów leżą w granicach -50 ... + 1200°C.

Jeśli chodzi o warystory, to ich rezystancja zależy od przyłożonego napięcia - maleje ze wzrostem napięcia. Z tego wynika, że prąd płynący przez warystor zwiększa się coraz szybciej ze wzrostem napięcia na warystorze (rys.).

Charakterystyka warystora

I - prąd płynący przez warystor, U - napięcie na warystorze

Warystory są stosowane przede wszystkim jako ograniczniki napięcia, np. w układach zabezpieczających przed przepięciami lub do zabezpieczania styków. Warystory dużej mocy są również szeroko stosowane jako odgromniki. W przypadku pojawienia się wysokiego napięcia (na skutek wyładowań, np. atmosferycznych) ich rezystancja gwałtownie maleje. Przykładowo przy zmianie napięcia od l kV do 20 kV prąd zwiększa się od 0,1 A do 10 kA.

W Polsce są produkowane warystory dyskowe i walcowe o parametrach od 8 V/1 W do 1300 V/0,8 W i 330 V/3 W [10].

HALLOTRONY

Hallotronami nazywamy przyrządy półprzewodnikowe, których działanie opiera się na zjawisku Halla. Zasadniczą częścią hallotronu jest albo prostokątna płytka (o powierzchni kilkunastu milimetrów kwadratowych i grubości ok. 0,3 mm), albo cienka warstwa półprzewodnika (ok. 10 μm grubości) naparowana w próżni na podłożu dielektrycznym. Hallotron ma dwie pary elektrod, z których dwie są prądowe, a dwie napięciowe (wyjściowe).

Zasada działania hallotronu; liniami przerywanymi zaznaczono ruch dziur i elektronów odchylanych w polu magnetycznym:
a) układ; b) symbol blokowy; c) symbol graficzny

Zjawisko Halla, odkryte przez Halla w 1879 r. jest wynikiem działania w polu magnetycznym siły Lorentza na nośniki prądu elektrycznego (poruszające się ładunki - dziury lub elektrony).

Prostokątna płytka hallotronu jest ustawiona prostopadle do linii sił pola magnetycznego. Jeżeli wzdłuż tej płytki przepuścimy prąd elektryczny, to w wyniku znoszenia nośników prądu przez pole magnetyczne między ściankami płytki powstanie różnica potencjałów

U_H = k_H I B

przy czym:

k_H - czułość hallotronu,

k_H = R/d;

R - stała Halla, zależy od rodzaju, czystości i temperatury materiału;

d - grubość płytki.

Hallotrony mogą pracować w zakresie częstotliwości pól i prądów od zera do 10 GHz. Stosuje się je do mierzenia natężenia pola magnetycznego, mocy prądu elektrycznego i jako elementy mnożące, a także do mierzenia dużych prądów (do 100 kA) z dużą dokładnością i w szerokim zakresie.

---