Полупроводниковые резисторы

ПРИ КРИСТАЛЛИЗАЦИИ МЕТАЛЛОВ ПРОИСХОДИТ ОТТОРЖЕНИЕ И ОБОБЩЕСТВ-ЛЕНИЕ ВАЛЕНТНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ У ВСЕХ АТОМОВ. В РЕЗУЛЬТАТЕ ЭТОГО КРИСТАЛЛ МЕТАЛЛА ОКАЗЫВАЕТСЯ СОСТОЯЩИМ ИЗ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫХ ИОНОВ И СООТВЕТ-СТВУЮЩЕГО ЧИСЛА СВОБОДНЫХ ЭЛЕКТРОНОВ, ХАОТИЧЕСКИ ПЕРЕМЕЩАЮЩИХСЯ ПО ВСЕМУ ОБЪЕМУ КРИСТАЛЛА. МЕТАЛЛИЧЕСКАЯ СВЯЗЬ ВЕСЬМА ПРОЧНА, ТАК КАК КАЖДЫЙ ПОЛОЖИТЕЛЬНЫЙ ИОН ВЗАИМОДЕЙСТВУЕТ СО МНОГИМИ ЭЛЕКТРО-НАМИ, А СИЛЫ ВЗАИМНОГО ОТТАЛКИВАНИЯ ИОНОВ НЕ ПОЗВОЛЯЮТ ИМ СБЛИ-ЖАТЬСЯ. БОЛЬШОЕ КОЛИЧЕСТВО СВОБОДНЫХ НОСИТЕЛЕЙ ЗАРЯДА ПРИВОДИТ К ТОМУ, ЧТО МЕТАЛЛЫ ЯВЛЯЮТСЯ ХОРОШИМИ ПРОВОДНИКАМИ.

Кристаллы полупроводников образованы ковалентной связью, при которой при сближении атомов образуются пары общих электронов, принадлежащие одновременно обоим атомам. Возникающие при этом силы притяжения достаточно велики, чтобы образовался прочный кристалл, например, кристалл алмаза, кремния, германия и т.д.,при этом при определенных условиях ковалентная связь может бытьразорвана, что приведет к возникновению свободных носителей заряда.

Разрыв ковалентной связи в кристаллах полупроводников в первую очередь обусловлен тепловым движением, но может происходить под действием других внешних воздействий: электромагнитного излучения, потока быстрых частиц, сильного электрического поля и т.д. Поэтому для полупроводников характерна высокая чувствительность электропроводности к внешним воздействиям, а также к содержанию примесей и дефектов в кристаллах, поскольку во многих случаях энергия E_а для электронов, локализованных вблизи примесей или дефектов, существенно меньше, чем в идеальном кристалле данного полупроводника.

Возможность в широких пределах управлять электропроводностью полупроводников явля-ется основой их многочисленных и разнообразных применений.

Приведенная формула относится в равной мере и к диэлектрикам, электропроводность которых может также стать заметной при высокой температуре. Различие между полупроводниками и диэлек-триками является скорее количественным, чем качественным. Точнее было бы говорить о полупровод-никовом состоянии неметаллических веществ, не выделяя полупроводники в особый класс, а к диэлек-трикам относить лишь такие вещества, у которых в силу больших значений E_а и ρ₀ электропроводность могла бы достигнуть заметных значений лишь при температурах, превышающих температуру их испа-рения.

Однако термин «полупроводники» обычно понимают в более узком смысле, как совокупность не-скольких, наиболее типичных групп веществ, полупроводниковые свойства которых четко выражены уже при комнатной температуре (300 К). Ниже приведены примеры таких групп.

Элементы IV группы периодической системы Ge, Si, которые наиболее полно изучены и с которы-ми связаны многие успехи полупроводниковой электроники. Атомы этих элементов, обладая 4 валент-ными электронами, образуют кристаллические решетки с ковалентной связью атомов. Свойствами по-лупроводника обладает также алмаз; однако величина E_а для него значительно больше, чем у Ge и Si, поэтому при 300 К его собственная (не связанная с примесями или внешними воздействиями) проводи-мость мала.

Алмазоподобные полупроводники – соединение элементов III группы с элементами V группы (так называемые полупроводники типа А ^III В ^V, например, GaAs, InSb, GaP и т.п.). Связи в таких кристаллах не полностью ковалентные, а частично ионные. Однако ковалентная связь в них преобладает и опреде-ляет структуру, в результате чего эти кристаллы по многим свойствам являются ближайшими аналога-

ми Ge и Si.

Соединения элементов II и VI групп (так называемые полупроводники типа А ^II В ^VI, например, ZnSe, CdTe, CdS и т.п.). Полупроводниковые свойства у них не так ярко выражены.

Соединения элементов IV и VI групп (так называемые полупроводники типа А ^IV В ^VI, например, PbS, SnTe, GeTe и т.п.) образуют одну из важных групп полупроводников, известных как приемники инфра-красного излучения.

Перечисление только известных на сегодняшний день полупроводников заняло бы несколько стра-ниц, мы не будем на этом здесь специально останавливаться.

Чтобы создать проводимость в ковалентном кристалле, необходимо разорвать хотя бы одну из свя-зей, удалив с нее электрон, перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи запол-нены, и этот электрон будет лишним. Такой электрон в дальнейшем может свободно переходить из ячейки в ячейку (все они для него эквивалентны) и, являясь всюду лишним, переносит с собой избыточ-ный отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости. Разорванная же связь становится блуждающей по кристаллу дыркой. Недостаток электрона в одной из связей означает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переносится вместе с дыркой.

Электроны и дырки – свободные носители зарядов в полупроводниках.

В идеальных кристаллах возбуждение одного из связанных электронов и превращение его в элек-трон проводимости неизбежно вызывает появление дырки, так что концентрации обоих типов носите-лей равны между собой. Но это не означает, что вклад их в электропроводность одинаков. Согласно классической электронной теории плотность электрического тока j = ne v, где n – концентрация, e – за-ряд, v – средняя скорость направленного движения свободных носителей заряда. В полупроводниках электрический ток имеет как электронную, так и дырочную составляющие:

j = j_n+ j_p= n_ne v _n + n_pe v _p.

Даже при равенстве концентраций n_n и n_p электронная и дырочная составляющие не будут равны, так как условия для перемещения электронов и дырок неодинаковы: электроны движутся между узлами кристаллической решетки, дырки – по ковалентным связям и поэтому v _n > v _p. Средняя скорость носителя заряда, находящегося под действием электрического поля, прямо пропорциональна его напряженности: v = µ E. Коэффициент пропорциональности µ называется подвижностью носителей заряда. Очевидно, что в полупроводниках подвижность электронов должна быть больше, чем подвижность дырок, так как свободные электроны движутся в пространстве между узлами кристаллической решетки, а дырки – по ковалентным связям.

Проводимость полупроводников, обусловленная только разрывом ковалентных связей и характери-зующаяся равенством концентраций электронов и дырок, называется собственной проводимостью. Приведенная на рис. 1, б температурная зависимость удельного сопротивления характерна именно для такого типа проводимости.

В реальных кристаллах равенство концентраций электронов и дырок может нарушаться под влия-нием различных факторов, например, примесей и дефектов кристаллической решетки. Электропровод-ность полупроводников, обусловленная наличием примесей, называется примесной проводимостью. Целенаправленное введение примесей в кристалл полупроводника называется легированием и является основным методом создания полупроводников с заданным типом проводимости (преимущественно электронным или дырочным) и заданной концентрацией свободных носителей заряда.

Примеси и дефекты делят на доноров и акцепторов. Доноры отдают в объем полупроводника избы-точные электроны и создают таким образом электронную проводимость (n -типа). Акцепторы захваты-вают валентные электроны вещества, в которое они внедрены, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (p -типа).

Типичные примеры доноров – примесные атомы элементов V группы (P, As, Sb) в Ge и Si. Аналогично атомы III группы (B, Al, Ga, In) – типичные акцепторы в Ge и Si.

Введение определенных примесей (легирование) – эффективный метод получения полупро-водников с различными требуемыми свойствами.

На основе полупроводниковых материалов создано большое число различных радиоэлектронных приборов, отличающихся друг от друга по устройству, степени сложности и области применения. к числу простейших полупроводниковых приборов относятся полупроводниковые резисторы.

1.3 Дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках

Электрический ток может возникнуть в полупроводнике только при направленном движении носи-телей заряда, которое создается либо под воздействием электрического поля (дрейф), либо вследствие неравномерного распределения носителей заряда по объему кристалла (диффузия).

Если электрическое поле отсутствует и носители заряда имеют в кристалле равномерную концен-трацию, то электроны и дырки совершают непрерывное хаотическое тепловое движение. В результате столкновения носителей заряда друг с другом и с атомами кристаллической решетки скорость и направ-ление их движения все время изменяются, так что тока в кристалле не будет.

Под действием приложенного к кристаллу напряжения в нем возникает электрическое поле; движе-ние носителей заряда упорядочивается: электроны перемещаются по направлению к положительному электроду, дырки – к отрицательному. При этом не прекращается и тепловое движение носителей заря-да, вследствие которого происходят столкновения их с атомами полупроводника и примеси.

Направленное движение носителей заряда под действием сил электрического поля называют дрей-фом,а вызванный этим движением ток– дрейфовым током. При этом характер тока может быть элек-тронным,если он вызван движением электронов,или дырочным, если он создается направленным пе-ремещением дырок.

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р -типа – дырками, а в полупроводниках n -типа – электронами.

При неравномерной концентрации носителей заряда вероятность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полупроводника, где их концентрация выше. Совершая хаотическое тепловое дви-жение, носители заряда отклоняются в сторону, где меньше число столкновений, т.е. движутся в на-правлении уменьшения их концентрации.

Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, – диффузионным током. Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным или дырочным.

Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низкой концентрацией, по мере продвижения рекомбинируют с дырками, и наоборот, диффундирующие в слой с пониженной концентрацией дырки рекомбинируют с электронами. При этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшается.

Как следует из вышесказанного, полупроводники представляют собой особый класс веществ, обла-дающий целым рядом уникальных электрофизических свойств. На основе полупроводниковых мате-риалов были разработаны многочисленные электронные приборы, являющиеся элементной базой со-временных радиоэлектронных и информационных систем. Наиболее простыми полупроводниковыми приборами, принцип действия которых основан на уникальных электрофизических свойствах полупро-

водников, являются нелинейные полупроводниковые резисторы.

Полупроводниковыми резисторами называют приборы, принцип действия которых основан на свойствах полупроводников изменять свое сопротивление под действием температуры, электромагнит-ного излучения, приложенного напряжения и других факторов. Рассмотрим три наиболее распростра-ненных типа полупроводниковых резисторов.

Терморезистор представляет собой полупроводниковый нелинейный резистор,сопротивление ко-торого значительно изменяется при изменении температуры. Терморезистор выполняют в виде бусин-ки, диска, цилиндрического стержня, плоской шайбы. В некоторых конструкциях предусмотрено поме-щение терморезистора в металлический или стеклянный герметизированный баллон.

Терморезисторы, обладающие отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, на-зывают термисторами. Они нашли широкое применение в радиоэлектронном оборудовании самого различного назначения.

К важнейшим параметрам термисторов относятся: холодное сопротивление – сопротивление тер-

мистора при температуре окружающей среды 20 °С; температурный коэффициент сопротивления TKС,выражающий в процентах изменение сопротивления термистора при изменении температуры на1°С; максимальная рабочая температура – температура, при которой характеристики термистора оста-ются стабильными в течение установленного срока службы; наибольшая рассеиваемая мощность – мощность, при которой термистор при протекании тока разогревается до максимальной рабочей темпе-ратуры; теплоемкость Н – количество теплоты, необходимой для повышения температуры термистора

на 1 °С; коэффициент рассеяния b – мощность, рассеиваемая термистором при разности температур термистора и окружающей среды в 1 °С; постоянная времени τ – время, в течение которого температура термистора становится равной 63 °С при перенесении его из среды с температурой 20 °С в среду с тем-пературой 100 °С. Постоянная времени определяется как отношение теплоемкости к коэффициенту рас-сеяния: τ = Н / b.

В устройствах промышленной электроники термисторы применяются достаточно широко для изме-рения и регулирования температуры, термокомпенсации различных элементов электрических схем, ра-ботающих в широком диапазоне температур, стабилизации напряжения в цепях переменного и посто-янного токов, а также в качестве регулируемых бесконтактных резисторов в цепях автоматики.

В ряде специальных устройств находят применение так называемые полупроводниковые боломет-ры,состоящие из двух термисторов.Один из термисторов(активный)непосредственно подвергаетсявоздействию контролируемого фактора (температуры излучения), а другой (компенсационный) служит для компенсации влияния температуры окружающей среды.

Позисторами называют полупроводниковые термисторы с положительным температурным коэф-фициентом сопротивления. В качестве полупроводника в них используют титанат бария со специаль-ными примесями, сопротивление которого увеличивается при повышении температуры.

Как и для термисторов с отрицательным ТКC, для позисторов основными характеристиками явля-ются вольтамперная и температурная. Параметры позисторов аналогичны параметрам термисторов с

I	отрицательным TKC.
Варистор представляет собой полупроводниковый резистор,со-
	противление которого зависит от приложенного напряжения. Пример-
	ный вид вольт-амперной характеристики варистора приведен на рис. 2.
	Сим-метричность характеристики поз-воляет использовать варистор в
	цепях как постоянного, так и переменного тока.
U	К основным параметрам варисторов относятся: статическое со-
противление при постоянных значениях напряжения и тока R ст= U / I;
	динамическое сопротивление переменному току R д=∆ U /∆ I; коэффи-
	циент нелинейности – отношение статического сопротивления к дина-
	мическому в данной точке характеристики р = R ст / R д; наибольшая ам-

плитуда импульсного напряжения и допустимая рассеиваемая мощность.

Исходя из двух последних параметров, выбирают рабочее эксплуатационное напряжение варистора. В схемах промышленной электроники варисторы применяют для регулирования электрических ве-личин, стабилизации токов и напряжений и для защиты приборов и элементов схем от перенапряжений. Фоторезистором называют полупроводниковый прибор,электрическое сопротивление которогоизменяется под действием электромагнитного излучения видимой, а также инфракрасной и ультрафиолетовой частей спектра. Материалом для изготовления фоторезисторов служат обычно сульфиды и селениды свинца и кадмия. Светочувствительный проводящий слой полупроводника наносят на стеклянную пластинку с металлическими электродами и помещают в пластмассовый или

металлический корпус с окном из фотостекла.

При отсутствии светового потока сопротивление фоторезистора, называемое темновым R _темн, весь-ма велико (в первом приближении R _темн → ∞), при этом через фоторезистор, включенный в схему, про-текает малый темновой ток I _темн. Под воздействием светового потока сопротивление фоторезистора па-дает и через него протекает световой ток I _св. Разность между световым и темновым токами называют

первичным фототоком проводимости: I _ф= I _темн – I _св.

При увеличении светового потока часть электронов проводимости сталкивается с атомами, ионизи-рует их и создает дополнительный поток электронов – так называемый вторичный фототок проводи-

мости.

Для выбора типа и режима работы фоторезистора используют ряд характеристик:

вольтамперная характеристика – зависимость фототока(или темнового тока)от приложенногонапряжения при постоянном световом потоке;

световая характеристика – зависимость фототока от падающего светового потока постоянногоспектрального состава;

спектральная характеристика – зависимость чувствительности фоторезистора от длины волнысветового излучения;

К основным параметрам фоторезисторов, наряду с указанными ранее темновым сопротивлением, темновым и световым токами, относятся рабочее напряжение – максимально возможное напряжение, не приводящее к изменению других параметров фоторезистора в течение всего срока службы и допус-тимая мощность рассеяния – максимальная мощность,рассеиваемая на фоторезисторе без его повреж-дения, а также некоторые другие параметры.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1 Какова структура кристаллов основных полупроводников, используемых в электронике?

2 Как создается электропроводность в кристаллах полупроводников?

3 Какие приборы называют полупроводниковыми резисторами?

4 Какими важнейшими параметрами характеризуются терморезисторы?

5 Чем отличаются термисторы от позисторов?

6 Какие приборы называют полупроводниковыми болометрами?

7 Какие приборы называют варисторами?

8 Какими параметрами характеризуются варисторы?

9 Каковы основные области применения варисторов?

10 На каком явлении основан принципа действия фоторезистора?

Модуль 2 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Дата добавления: 2015-05-06