3.

Złącze p-n

Złącze p-n utworzone jest przez dwie graniczące ze sobą warstwy typu p i typu n półprzewodnika monokrystalicznego. W warstwie typu p istnieją ujemne nieruchome ładunki zjonizowanych atomów domieszki akceptorowej oraz dodatnie ładunki ruchomych dziur (nośniki większościowe). Ponadto jest jeszcze niewielka liczba elektronów (nośniki mniejszościowe). W warstwie typu n istnieją dodatnie, nieruchome ładunki zjonizowanych atomów domieszki donorowej oraz ujemne ładunki ruchomych elektronów (nośniki większościowe). Ponadto jest jeszcze niewielka liczba dziur (nośniki mniejszościowe). Obie warstwy osobno są obojętne elektrycznie.     Po połączeniu następuje dyfuzja elektronów z warstwy n do warstwy p oraz dziur z warstwy p do n. Zjawisko dyfuzji zachodzi wskutek dużej różnicy koncentracji ruchomych nośników ładunku w obu warstwach.       Przepływ elektronów w obszarze granicznym warstwy n powoduje powstanie nieskompensowanych ładunków dodatnich nieruchomych centrów donorowych. Analogicznie w obszarze granicznym warstwy p pozostają nieskompensowane ładunki ujemne nieruchomych centrów akceptorowych. W obszarze granicznym warstw powstaje warstwa dipolowa ładunku, wytwarzająca pole elektryczne przeciwdziałające dyfuzji nośników większościowych. Warstwa ta nazywana jest również warstwą zaporową lub warstwą ładunku przestrzennego. Zaś napięcie wytworzone w obszarze granicznym złącza nosi nazwę napięcia dyfuzyjnego lub zwany jest barierą potencjału. Chaotyczny ruch elektronów i dziur może sprawić, że znajdą się one w obszarze warstwy zabronionej. Zostaną one natychmiast przechwycone przez pole elektryczne, istniejące w tej warstwie, i uniesione do obszaru przeciwnego typu zgodnie z kierunkiem działającego pola elektrycznego.

1.

PRZEWODNICTWO ELEKTRYCZNE CIAŁ STAŁYCH

Przewodnictwo elektryczne w ciałach stałych. polega na ruchu nośników ładunków elektr., np. elektronów; wartość przewodnictwa zależy więc od liczby tych nośników w c. stałych Pod tym względem c. stałe. dzielą się na 3 grupy:
o przewodniki (metale),
o półprzewodniki
o dielektryki (izolatory).
Wraz ze wzrostem temp. przewodnictwo elektryczne przewodników (metali) maleje, natomiast w tempera turach bliskich 0°K staje się ono bardzo duże (nadprzewodnictwo). Przewodnictwo półprzewodników i dielektryków rośnie ze wzrostem temp.; w temp. niskich pół-przewodniki, praktycznie biorąc, nie przewodzą prądu elektr. Próbę wyjaśnienia istoty przewodnictwa metali podjął 1900 P. Drude, wychodząc z założenia, że w me-talach liczba swobodnych elektronów jest b. duża; z prac tych wywodzi się tzw. elektronowa teoria metali. W 1930—40 powstała ogólniejsza, kwantowomech. teoria, tzw. teoria pasmowa, która wyjaśniła m.in. istotę przewodnictwa elektr. c.stałych.

Ř METALE. PÓŁPRZEWODNIKI, IZOLATORY
Możliwa jest również klasyfikacja ciał stałych ze względu na ich zdolność przewodzenia prądu elektrycznego pod wpływem przyłożonego z zewnątrz pola elektrycznego. Zdolność przewodzenia prądu elektrycznego określa się przez podanie przewodności właściwej lub jej odwrotności - oporu właściwego. Ciała stałe z tego punktu widzenia dzielimy na trzy grupy:
o dobre przewodniki (głównie metale) o δ od 10-8 do 10-6 Ω · m
o złe przewodniki (izolatory) o δ > 109 Ω · m
o ciała o pośrednich wartościach δ leżących w szerokich granicach około 14 rzędów wielkości. Do tej grupy ciał zaliczamy również półprzewodniki.
Do grupy ciał o wartościach pośrednich o należeć będzie obok półprzewodników wiele innych, np. kryształy jonowe, roztwory jonowe, substancje organiczne zawierające wodę. Przewodność właściwa tej grupy ciał zależy w znacznym stopniu od różnych czynników, np. od temperatury, oświetlenia, ciśnienia, od zawartych w ich strukturze w małych ilościach domieszek obcych atomów.
Wśród tej grupy ciał półprzewodniki wyróżniają się mechanizmem przewodzenia prądu elektrycznego. W półprzewodnikach mamy zawsze do czynienia z przewodnictwem elektronowym. Również przewodnictwo dziurowe polega, podobnie jak elektronowe, na przemieszczaniu się elektronów. Natomiast, np. w kryształach jonowych nośnikami prądu są jony, a nie elektrony. (Czasami przewodniki jonowe zaliczane są do półprzewodników, w szerszym sensie tego pojęcia).
Zależność oporu właściwego od temperatury T przebiega w sposób charakterystyczny, inny dla metali i inny dla półprzewodników:
o dla metali δ = δ0 (l +ΔT), gdzie T - temperatura, α - współczynnik temperaturowy oporu przyjmujący wartości dodatnie rzędu 10-6 na kelwin,
o dla półprzewodników δ = δ0eΔE/kT, gdzie k - stała Boltzmanna, ΔE - miara tzw. energii aktywacji. Jest to energia, jaką muszą mieć elektrony, aby mogły uczestniczyć w przewodzeniu prądu.

2.

Półprzewodniki samoistne i domieszkowe.

Półprzewodnikami nazywamy substancje, których przewodnictwo elektryczne jest o kilka rzędów wielkości mniejsze niż u metali. Przewodnictwo właściwe wyraża się następująco:

1. dla metali 106 - 104 W-1 × cm-1 (1W × cm );
2. dla półprzewodników 104 - 10-5 W-1 × cm-1;
3. dla izolatorów 10-5 - 10-18 W-1 × cm-1.

Półprzewodnikami są zarówno pierwiastki, jak i związki chemiczne. Najbardziej typowymi i zarazem najczęściej stosowanymi półprzewodnikami są german Ge i krzem Si.

Zewnętrzna powłoka elektronowa atomu germanu jak i krzemu składa się z czterech elektronów wirujących wokół jądra. Przy formowaniu się kryształu atomy zbliżają się do siebie na tyle, że ich zewnętrzne tory elektronowe wzajemnie zachodzą na siebie. Prowadzi to do tego, że elektrony walencyjne sąsiednich atomów stają się elektronami wspólnymi, poruszającymi się na wspólnych orbitach. Te wspólne orbity wiążą ze sobą atomy germanu lub krzemu stanowiąc kowalentne lub parzystoelektronowe więzi. Elektrony uczestniczące w więzi należą równocześnie do obu związanych ze sobą atomów.

Schematycznie sieć przestrzenną germanu lub krzemu można przedstawić w postaci płaskiej siatki, w której każdy atom łączy się kowalentną więzią z czterema najbliższymi atomami.




Przedstawiona na rysunku sieć przestrzenna jest siecią idealną. Krążkami przedstawione są czterowartościowe atomy, a łukami oznaczone są elektronowe pary. Taką sieć mają czyste półprzewodniki zwane samoistnymi. W temperaturze zera bezwzględnego (-273°C) wszystkie elektrony walencyjne są związane i jeśli w tym stanie półprzewodnik znalazłby się w polu elektrycznym, to prąd elektryczny w nim nie popłynie, gdyż nie ma w nim elektronów swobodnych zwanych elektronami przewodnictwa. Taki półprzewodnik ma właściwości idealnego izolatora.

Swobodny elektron lub elektron przewodnictwa może pojawiać się w półprzewodniku czystym tylko w przypadku, gdy walencyjny elektron uwolni się z wiązania. Do tego potrzebna jest określona energia. Ponieważ przy uwalnianiu się elektron otrzymuje dodatkową energię DE, więc jego całkowita energia będzie większa od tej energii, jaką mają elektrony związane, o wartość potrzebną do wykonania pracy rozerwania więzi. Jeśli na osi pionowej odmierzymy energię związanych i energię swobodnych elektronów, to otrzymamy następujący wykres:




Energiami wyższymi od poziomu Ec rozporządzają tylko elektrony swobodne, a energiami mniejszymi od Ew - tylko elektrony walencyjne. Z tego powodu strefę energii powyżej Ec nazywamy pasmem przewodnictwa, a strefę poniżej Ew - pasmem walencyjnym. Ponieważ w idealnych kryształach elektrony nie mogą mieć energii w strefie między Ec i Ew, strefę tę przyjęto nazywać strefą energii wzbronionych lub strefą wzbronioną. Szerokość strefy wzbronionej charakteryzuje energię DE konieczną do oswobodzenia elektronów z więzi walencyjnej.

Oswobodzenie elektronów walencyjnych może być dokonane na koszt:

1. energii cieplnej,
2. energii pola elektrycznego,
3. energii różnych typów promieniowania.

Przy podwyższaniu temperatury półprzewodnika, atomy w sieci krystalicznej wykonują drgania o coraz większej amplitudzie, tzn. o coraz wyższej energii. Ponieważ amplituda drgań nie u wszystkich atomów jest jednakowa, więc istnieje zawsze prawdopodobieństwo, że niektóre elektrony oderwą się od swych więzi walencyjnych kosztem energii ruchów termicznych atomów.

Elektron wyrwany z więzi walencyjnej sprawia to, że miejsce pozostałe po nim wykazuje naelektryzowanie dodatnie (+); w tym miejscu przeważa ładunek dodatni jądra nad ładunkami kompensującymi elektronów. Takie miejsce w niezapełnionym wiązaniu walencyjnym nazwane jest dziurą; jej ładunek dodatni co do wartości bezwzględnej jest równy ładunkowi elektronu. Dziura może być zapełniona elektronem walencyjnym z więzi sąsiedniej. W tym przypadku jedno wiązanie zapełni się, a drugie okaże się niezapełnione. W następstwie tego dziura przemieszcza się w krysztale, a razem z nią jej dodatni ładunek. Dziurę można więc uważać za nośnik ładunku dodatniego. Jest to umowny nośnik ładunku (+), w rzeczywistości jest to elektron przeskakujący z zapełnionego wiązania w miejsce wolne, będące dziurą.

W każdej temperaturze, w stanie równowagi dynamicznej, liczba nowo powstających dziur i swobodnych elektronów będzie równa liczbie znikających dziur i swobodnych elektronów.

Przy braku pola elektrycznego prąd w półprzewodniku nie popłynie, gdyż ruchy elektronów i dziur, jako ruchy termiczne, są ruchami chaotycznymi. Jeśli przyłożyć pole elektryczne, to elektrony i dziury zachowując ruch termiczny będą poruszać się ruchem uporządkowanym w kierunku sił pola. Ich uporządkowane ruchy o zwrotach przeciwnych stanowią prąd elektryczny.

Tak więc przewodnictwo elektryczne czystego półprzewodnika jest przewodnictwem mieszanym, elektronowo-dziurowym, którego wartość szybko maleje przy obniżaniu temperatury.

Półprzewodniki domieszkowe. Jeśli w siatkę półprzewodnika czystego wprowadzimy atomy pierwiastka pięciowartościowego, np. arsenu As, fosforu P lub antymonu Sb, to atom domieszkowy zapełnia cztery wiązania walencyjne sąsiednich atomów swoimi czterema elektronami zewnętrznymi, ale pozostaje mu niewysycony jeden elektron, który pod wpływem ruchów termicznych łatwo odłącza się od macierzystego atomu i staje się elektronem swobodnym, przyłączającym się do już istniejących n elektronów swobodnych półprzewodnika czystego. Część elektronów, które odłączają się od macierzystych atomów, obsadza puste miejsca w wiązaniach atomowych, co znaczy, że koncentracja tych pustych miejsc, czyli koncentracja dziur maleje. Takie atomy domieszkowe nazywamy donorami. O przewodnictwie elektrycznym półprzewodnika z domieszką donorową decydują głównie elektrony. Taki półprzewodnik nazywamy półprzewodnikiem domieszkowym typu n.

Jeśli w charakterze domieszki wziąć trójwartościowy pierwiastek, np. ind Id, gal Ga, aluminium Al. lub bor B, to wówczas trójwartościowy atom umieszczony w węźle siatki przestrzennej może zapełnić tylko trzy wiązania walencyjne sąsiednich atomów. Nieobsadzone czwarte wiązanie walencyjne staje się dziurą, która się przemieszcza.

Dzięki działaniu atomów takiej domieszki, nazwanych akceptorami, koncentracja domieszkowa dziur bardzo silnie wzrasta, a przewodnictwo takiego półprzewodnika przybiera charakter głównie dziurowy. Jest to półprzewodnik domieszkowy typu p.

4.

Charakterystyka prądowo-napięciowa

Zależność prądu płynącego przez złącze od napięcia polaryzującego

Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami:

• czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < U_D, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;

• niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > U_D, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;

• zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd unoszenia;

• źółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub zenera, prąd gwałtownie rośnie.

6.

Elementy półprzewodnikowe-część l

Najważniejszymi z używanych obecnie elementów półprzewodnikowych są: diody prostownicze, detekcyjne, stabilizacyjne i pojemnościowe, tranzystory „zwykłe", zwane fachowo bipolarnymi. tranzystory polowe, zwane leż unipolarnymi oraz tyrystory. Osobną grupę, raczej podzespołów niż elementów, tworzy wielka już obecnie rodzina układów scalonych. W Polsce dostępne dla radioamatorów są wszystkie wymienione wyżej rodzaje diod (w każdym rodzaju kilka typów) oraz wiele typów tranzystorów bipolarnych. i te właśnie elementy będą omówione w następnych odcinkach cyklu. Pozostałe, na razie możliwe do nabycia jedynie za granicą (np. w Czechosłowacji). będziemy omawiali wówczas, gdy staną się w kraju łatwiej dostępne, co zresztą, jak się wydaje, nastąpi niebawem. Układom scalonym poświęcimy w przyszłości specjalny cykl artykułów. ilustrowany przykładami urządzeń nadających się do amatorskiego wykonania przy ich użyciu.

Wszystkie niemal produkowane obecnie elementy półprzewodnikowe wykonywane są z germanu lub krzemu. Elementy krzemowe, zwłaszcza tranzystory, wypierają obecnie zdecydowanie elementy germanowe, ponieważ po pierwsze. krzem ma wiele bardzo korzystnych właściwości fizycznych, a po drugie, tylko w przypadku krzemu możliwe jest zastosowanie do produkcji elementów tzw. technologii planarnej. Planarne tranzystory krzemowe wywołały prawdziwy przewrót w technice półprzewodnikowej. ponieważ mają właściwości lepsze zdecydowanie niż wszystkie inne rodzaje tranzystorów, a przy tym ich produkcja jest bardzo tania. Zarazem technologia planarna umożliwia opracowanie i produkcję monolitycznych półprzewodnikowych układów scalonych — szczytowego osiągnięcia elektroniki. Z tych powodów w Polsce, podobnie jak w innych krajach, w najbliższych latach niemal wszystkie produkowane tranzystory oraz znaczna część innych elementów będzie wytwarzana tą właśnie technologią. Tranzystory germanowe w najbliższym czasie wyjdą w ogóle z produkcji wiele do niedawna pospolitych typów już dziś nie jest produkowanych.

Zasadnicze zalety tranzystorów planarnych są następujące.

Prawidłowa praca w szerokim zakresie temperatur (aż do temperatur rzędu 150 C, a dla niektórych typów nawet 200 C). Właściwość ta pozwala m.in. obciążyć tranzystory znaczną mocą, ponieważ nie ulegają tak łatwo uszkodzeniu na skutek przekroczenia dopuszczalnej temperatury. Stosunkowo małe rozrzuty parametrów, przez co unikamy konieczności żmudnego dobierania tranzystorów w niektórych układach. Bardzo dobre właściwości wzmacniające, zarówno w zakresie małych częstotliwości (bardzo duże współczynniki wzmocnienia), jak i wielkich częstotliwości (wy­sokie częstotliwości graniczne). Bardzo małe szumy własne i bardzo dobra stałość parametrów w czasie eksploatacji oraz niezawodność.

Wymienione wyżej cechy sprawiają, że krzemowe tranzystory planarne są elementami niezwykle uniwersalnymi. Na przykład produkowany w Polsce tranzystor typu BF 520 można zastosować w radioodbiorniku z przemianą częstotliwości jako: mieszacz i oscylator (z zakresem fal krótkich włącznie), wzmacniacz pośredniej częstotliwości i wzmacniacz mocy (w układzie przeciwsobnym można uzyskać moc rzędu 0,5 W). A więc tranzystor ten można użyć z dobrym wynikiem we wszystkich stopniach radioodbiornika.

7.

Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu (prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie" nie powoduje uszkodzenia złącza.

W silnie domieszkowanym złączu p-n szerokość obszaru ładunku przestrzennego jest niewielka. Jeśli napięcie polaryzcji wstecznej takiego złącza będzie większe od napięcia Zenera, to górna krawędź pasma walencyjnego obszaru typu P znajdzie się wyżej niż dolna krawędź pasma przewodzenia obszaru typu N. Dlatego jeśli elektron znajdujący się na poziomie walencyjnym w obszarze typu P przejdzie przez obszar ładunku przestrzennego do obszaru typu N, to bez zmiany energii stanie się tam swobodnym nośnikiem - elektronem znajdującym się w paśmie przewodzenia półprzewodnika typu N. Takie przejście nazywane jest przejściem tunelowym.

Ilustracja zjawiska Zenera; UD - napięcie bariery potencjału, U - napięcie polaryzacji, q - ładunek elementarny

Pojawienie się tych swobodnych nośników w obszarze N powoduje zwiększenie prądu płynącego w obwodzie. Nawet niewielki wzrost napięcia polaryzującego (przekraczającego napięcie Zenera) daje bardzo duży przyrost prądu.

Zjawisko Zenera występuje dla napięć polaryzujących nie większych niż 5-6V.

8

---