Файл: Маринов, И. А. Устройство и эксплуатация преобразовательных подстанций городского электротранспорта учеб. пособие.pdf

для отрыва электрона от атома. Электрон, вырванный из ковалент­ ной связи, становится свободным и может являться носителем тока. В чистом кремнии, например, при комнатной температуре один электрон (одна нарушенная связь) приходится на 1012 атомов, поэтому проводимость полупроводников в миллиарды раз больше проводимости диэлектрика.

В результате отрыва валентного электрона (рис. 108) атом ста­ новится положительно заряженным, а в ковалентной связи остает­ ся «пустое место», которое может быть занято любым другим элек­ троном из другой ковалентной связи, где в этом случае останется «пустое место».

Пустое место в ковалентной связи принято называть «дыркой». Величина заряда дырки численно равна величине заряда электрона.

Передвижение электронов из одной ковалентной связи в другую вызывает соответствующее перемещение положительно заряженных дырок, но ;в направлении, противоположном движению электронов.

Передвижение свободных электронов создает электронный ток и электронную или «-проводимость (от слова negative— отрица­ тельный). Перемещение положительно заряженных дырок создает «дырочный» ток и дырочную, или р-проводимость (от слова positive — положительный). Полный ток в полупроводнике пред­ ставляет собой сумму электронного и дырочного тока.

Электронно-дырочная проводимость, возникшая в полупровод­ нике при комнатной температуре, называется собственной проводи­

мостью полупроводника.

При передвижении свободных электронов и дырок происходит также процесс деионизации, или иначе, рекомбинации, электронно­ дырочной пары. Однако при определенной температуре количество свободных электронов и дырок не меняется и взамен рекомбиниро­ ванных электронов и дырок возникают другие свободные электроны и дырки. При снижении температуры в результате рекомбинации количество возникающих свободных электронов и дырок уменьша­ ется и полупроводник получает свойства изолятора.

Введение в кристалл полупроводника даже незначительного ко­ личества примеси другого элемента резко изменяет его свойства. В зависимости от того, примесь какого элемента имеется в кристал­ ле полупроводника, получаются полупроводники, в которых преоб­ ладает электронная или дырочная проводимость.

Вполупроводниках, в которых преобладает электронная прово­ димость, электроны являются основными носителями и эти полу­ проводники называются электронными или «-типа полупроводника­ ми. В этих полупроводниках имеется также незначительное количе­ ство дырок, которые являются не основными носителями.

Вполупроводниках, в которых преобладает дырочная проводи­ мость, дырки являются основными носителями и они называются дырочными или р-типа полупроводниками. В этих полупроводниках

имеется небольшое количество электронов, которые являются неос-

210ВНЫМИ носителями.

Атомы примеси обычно занимают в кристаллической решетке

151

полупроводника место атома данного полупроводника (германия, кремния) и образуют связи с соседними атомами полупроводника

(рис. 109).

Если в кристалл полупроводника в качестве примеси ввести атом элемента из 3-й группы периодической системы, обладающего тремя валентными электронами на внешней орбите (например: алю­ миний, индий, галлий), то он создаст три ковалентные связи с со­ седними атомами полупроводника, а для четвертой связи у него не хватит электрона. Следовательно, одна связь остается свободной.

ве примеси ввести атом элемента из 5-й группы таблицы Менделеева, обладающего пятью валентными электронами на внешней орбите (например, фосфор, висмут, сурьма), то четыре его электрона создадут четыре ковалент­ ные связи с соседними атомами полупроводника, а пятый электрон остается свободным. В результате этого в полупроводнике возни­ кает электронная проводимость. Атомы примесей, создающие в по­ лупроводнике электронную или «-типа проводимость, называются

донорами.

Проводимость, созданная добавлением в кристалл полупровод­ ника примесей атомов элементов иной валентности, называется примесной проводимостью. Она превышает собственную проводи­ мость полупроводника в сотни и тысячи раз.

При отсутствии электрического поля электроны и дырки двига­ ются хаотически. Если к полупроводнику приложить разность потенциалов, т. е. создать электрическое поле, получается направ­ ленное движение электронов и дырок.

Если плотно приложить друг к другу полупроводник с электрон­ ной проводимостью (типа п) и полупроводник с дырочной прово­ димостью (типа р), получится следующая картина на созданном электронно-дырочном переходе: вследствие значительно большей плотности электронов в полупроводнике с электронной проводимо­ стью, чем в полупроводнике с дырочной проводимостью, потечет электронный ток из электронной области в дырочную. Этот ток на­

152

зывается диффузионным. Дырочная область (полупроводник с ды­ рочной проводимостью) будет заряжаться отрицательно по отно­ шению к электронной области (полупроводника с электронной про­ водимостью). По такой же причине появится диффузионный дырочный ток из дырочной области в электронную « электронная область будет заряжаться положительно по отношению к дырочной

ет примерно К©4 см.

Неосновным носителям электрическое поле р — «-перехода по­ могает переходить через контакт и, следовательно, любой электрон из дырочной области (кристалл р) будет подхвачен полем и переве­ ден в электронную область (кристалл п), а дырка из электронной области будет переведена в дырочную область (в кристалл р). Сле­ довательно, через переход будут проходить навстречу друг другу электроны и дырки неосновных носителей.

Движение неосновных носителей образует ток проводимости. Когда к соединенным полупроводникам не подведено напряжение, диффузионный ток и ток проводимости, направленные навстречу друг другу, равны и общий ток через р — «-переход равен нулю.

Подключив внешнее напряжение так, что электрическое поле, создаваемое этим напряжением, усилит действие внутреннего поля р — «-перехода (положительный полюс источника к слою «, а отри­ цательный к слою р), мы этим увеличим ширину запорного слоя и его сопротивление, а ток диффузии уменьшится (рис. 111, а).

При напряжении около 0,5—1 в ток диффузии равен нулю. В этом случае ток через р — «-переход будет определяться неоснов­ ными носителями, а так как их количество в сотни тысяч раз мень­ ше ocHOiBHbix носителей, то этот ток очень мал. Напряжение, уве­ личивающее ширину запорного слоя и снижающее величину тока

153

основных носителей (диффузионного тока) называется обратным напряжением, а ток неосновных носителей (ток проводимости) — обратным током. Величина обратного тока зависит от внешнего на­ пряжения, от температуры полупроводника и степени освещенности его. При повышении температуры полупроводника на каждые 10° С обратный ток увеличивается примерной два раза.

При изменении полярности приложенного напряжения (подклю­ чении положительного полюса внешнего источника к слою р, а от­ рицательного полюса — к слою п) электрическое поле, создаваемое

Рис. Ш . Электронно-дырочный переход при приложении обратного (о) и пря­ мого (б) напряжений

этим напряжением, будет ослаблять действие внутреннего электри­ ческого поля, сопротивление р — «-перехода станет малым и ток основных носителей (ток диффузии) резко возрастает, во много раз превосходя ток неосновных носителей (ток проводимости) (рис. 111, б).

Напряжение, ослабляющее внутреннее электрическое поле, на­ зывается прямым, а ток основных носителей (диффузионный ток) называется прямым рабочим током.

Кристалл полупроводника с электронно-дырочным р — «-перехо­ дом, хорошо пропускающий электрический ток в одном направле­ нии, представляет собой вентиль.

На рис. 112 приведена вольтамперная характеристика кремние­ вого вентиля. Как видно из характеристики, для преодоления внут­ реннего электрического поля требуется очень малое напряжение Vо около 0,5—1 в. При напряжении чуть больше U0 диффузионный ток (ток основных носителей) резко возрастает и во много раз превос­ ходит ток проводимости (ток неосновных носителей). При измене­ нии полярности подведенного напряжения, т. е. при приложении об­ ратного напряжения U0бр, обратный ток / 0бр до пробоя вентиля мал и практически не зависит от величины приложенного напряжения. Обратный ток в большой степени зависит от температуры кристал­ ла. Чем больше температура, тем больше обратный ток.

Пробой вентиля —■это потеря вентильной способности вентиля вследствие изменения структуры р — «-перехода.

154

Полупроводники подвержены рядовому и электрическому про­ бою.

Тепловой пробой характеризуется ростом концентрации носите­ лей под действием повышающейся температуры кристалла. Неодно­ родность структуры монокристалла кремния вызывает неравно­ мерное распределение как прямого, так и обратного тока по площа­ ди р — «-перехода, что вызывает неравномерность нагрева отдель­

ходе.

Перенапряжения бывают атмосферные и коммутационные. Ат­ мосферные перенапряжения возникают при грозовых разрядах, коммутационные — при включении или отключении электрической цепи, а также в момент запирания вентиля, от скачка . обратного тока.

Вентиль запирается, когда к нему прикладывается обратное на­ пряжение, но проходивший через вентиль, до изменения полярности приложенного напряжения, прямой ток сразу не прекращается, потому что нужно время, чтобы разошлись и рекомбинировались в области « — дырки, а в области р — электроны, т. е. существует инерция возврата вентиля в непроводящее состояние. Так как по­ лярность приложенного напряжения изменилась, то этот ток явля­ ется уже обратным током и между током и напряжением появляет­ ся емкостный сдвиг фаз. Скачок обратного тока во много раз пре­ вышает его установившуюся величину и вызывает значительные

155