Физика. Применение полупроводниковых приборов

Полупроводниковые приборы – различные  по конструкции, технологии изготовления и функциональному назначению электронные  приборы, основанные на использовании  свойств полупроводников. К полупроводниковым  приборам относят также полупроводниковые  микросхемы, которые представляют собой  монолитные законченные функциональные узлы (усилитель, триггер, набор элементов), все компоненты которых изготавливаются  в едином технологическом процессе.

Полупроводники – вещества, электронная  проводимость которых имеет промежуточное  значение между проводимостью проводников  и диэлектриков. К полупроводникам  относится обширная группа естественных и синтетических веществ различной  химической природы, твердых и жидких, с разными механизмами проводимости. Наиболее перспективными полупроводниками в современной технике являются так называемые электронные полупроводники, проводимость которых обусловлена  движением электронов. Однако в отличие  от металлических проводников концентрация свободных электронов в полупроводниках  очень мала и возрастает с повышением температуры, чем объясняется их пониженная проводимость и специфическая  зависимость от удельного сопротивления  и температуры: если у металлических  проводников при нагревании электрическое  сопротивление повышается, то у полупроводников  оно понижается. Увеличение концентрации свободных электронов с повышением температуры объясняется тем, что  с увеличением интенсивности  тепловых колебаний атомов полупроводников  все большее количество электронов срывается с внешних оболочек этих атомов и получает возможность  перемещаться по объему полупроводника. В переносе электричества через  полупроводники, помимо свободных электронов могут принимать участие места, освободившиеся от перешедших в свободное  состояние электронов – так называемые дырки.

Поэтому и свободные электроны  и дырки называют носителями электрического заряда, причём дырке приписывают  положительный заряд, равный заряду электрона. В идеальном полупроводнике образование свободных электронов и дырок происходит одновременно, парами, а потому концентрации электронов и дырок одинаковы. Введение же в полупроводник определенных примесей способно привести к увеличению концентрации носителей одного знака и сильно повысить проводимость. Это происходит при условии, что на внешней оболочке атомов примеси находится на один электрон больше (донорные примеси) или на один электрон меньше (акцепторные примеси), чем у атомов исходного полупроводника. В первом случае примесные атомы (доноры) легко отдают лишний электрон, а во втором (акцепторы)– забирают недостающий электрон от атомов полупроводника, создавая дырку. Для наиболее распространённых полупроводников (кремния и германия), являющихся четырёхвалентными химическими элементами, донорами служат пятивалентные вещества (фосфор, мышьяк, сурьма), а акцепторами – трехвалентные (бор, алюминий, индий). В зависимости от преобладающего типа носителей примесные полупроводники делят на полупроводники электронного (п-типа) и дырочного (р-типа).

Зависимость электропроводимости  полупроводника от различных внешних  воздействий служит основой разнообразных  технических приборов. Так, уменьшение сопротивления используется в термисторах, уменьшение сопротивления при освещении– в фоторезисторах. Появление ЭДС при прохождении тока через полупроводник, помещённый в магнитное поле (эффект Холла) применяется для измерения магнитных полей, мощности и т.д. Особенно ценными свойствами обладают неоднородные полупроводники (с изменяющейся от одной части объёма к другой проводимостью), а также контакты разных полупроводников между собой и полупроводников с металлами. Возникающие в таких системах эффекты наиболее ярко проявляются у электронно-дырочных переходов (р-п-переходом). Использование р-п-переходов лежит в основе действия многих полупроводниковых приборов: транзистора, полупроводникового диода, полупроводникового фотоэлемента, термоэлектрического генератора, солнечной батареи.

60-е – 70-е годы составляют  эпоху полупроводниковой техники  и собственно электроники. Электроника  внедряется во все отрасли  науки, техники и народного  хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой.

В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется  повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались пальчиковые  и сверхминиатюрные лампы, что давало возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и  теории полупроводников, разрабатывались  способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки  и введения примесей. Большой вклад  в развитие физики полупроводников  внесла советская школа академика  А.Ф.Иоффе.

Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е  годы во все области народного  хозяйства. В 1926 г. был предложен  полупроводниковый выпрямитель  переменного тока из закиси меди. Позднее  появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны  дало новый толчок к исследованиям  в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители  переменных токов СВЧ на основе кремния  и германия, а позднее появились  плоскостные германиевые диоды. В 1948 г. американские учёные Бардин и  Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод. В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

Развитие и совершенствование  полупроводниковых приборов характеризуется  повышением рабочих частот и увеличением  допустимой мощности. Первые транзисторы  обладали ограниченными возможностями (предельные рабочие частоты порядка  сотни килогерц и мощности рассеяния  порядка 100 - 200 МВт) и могли выполнять  лишь некоторые функции электронных  ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью  в десятки ватт. Позднее были созданы  транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 Вт, а уже в 1972 г. были созданы  образцы транзисторов на рабочие  частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 Вт и более. Маломощные же транзисторы (до 0,5 - 0,7 Вт) могут работать на частотах свыше 500 МГц. Позже появились  транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц. Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие  температуры не выше +55 ¸ 70 °С, а на основе кремния - не выше +100 ¸ 120 °С. Созданные позже образцы транзисторов на арсениде галлия оказались работоспособными при температурах до +250 °С, и их рабочие частоты в итоге увеличились до 1000 МГц. Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350 °С. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники. В интегральной электронике МДП-структуры широко используются для создания транзисторов и на их основе различных интегральных микросхем.

Перед проектировщиками сложных электронных  систем, насчитывающих десятки тысяч  активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости  электронных устройств, улучшения  их рабочих характеристик и, что  самое главное, достижения высокой  надёжности работы. Эти задачи успешно  решает микроэлектроника - направление  электроники, охватывающее широкий  комплекс проблем и методов, связанных  с проектированием и изготовлением  электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов.

Основной тенденцией микроминиатюризации  является "интеграция" электронных  схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов  и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому  из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась  интегральная микроэлектроника, которая  является одним из главных направлений  современной электронной техники. Сейчас широко используются сверхбольшие интегральные схемы, на них построено  всё современное электронное  оборудование, в частности ЭВМ  и т.д.

Срок службы полупроводниковых  триодов и их экономичность во много раз больше, чем у электронных  ламп. За счёт чего транзисторы нашли  широкое применение в микроэлектронике — теле-, видео-, аудио-, радиоаппаратуре  и, конечно же, в компьютерах. Они  заменяют электронные лампы во многих электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры.

Биполярный транзистор – универсальный  полупроводниковый усилительный прибор, выполняющий те же функции, что и  электронная лампа с управляющей  сеткой. По аналогии с лампой, биполярный транзистор называют полупроводниковым  триодом. Его действие основано на использовании  особых свойств неоднородных полупроводников. Особенность транзистора состоит  в том, что между электронно-дырочными  переходами существует взаимодействие – ток одного из переходов может  управлять током другого.

Помимо усиления электрических  колебаний, биполярные транзисторы  широко используются как бесконтактные  коммутационные устройства, в разнообразных  генераторных схемах, для преобразования и детектирования колебаний, причём от соответствующих ламповых устройств схемы с биполярными транзисторами отличаются миниатюрностью, высокой экономичностью питания, большой механической прочностью, мгновенной скоростью к действию, большой долговечностью. Максимальные рабочие частоты самых высокочастотных биполярных транзисторов превышают 10000 МГц, наибольшие мощности – примерно 200-250 Вт. К недостаткам биполярных транзисторов относится существенная температурная зависимость их характеристик.

Основные материалы, из которых  изготовляют транзисторы — кремний  и германий, перспективные – арсенид  галлия, сульфид цинка и широкозонные проводники.

Полевой транзистор – полупроводниковый  прибор, в котором ток изменяется в результате действия перпендикулярного  току электрического поля, создаваемого сигналом. Полевой транзистор отличается от биполярного тем, что используемый в нём механизм усиления обусловлен носителями заряда только одного знака (электронами или дырками). Полевой  транзистор называют также канальным  и униполярным транзистором.

Полевые транзисторы имеют ВАХ (вольт-амперные характеристики), подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов. Это позволяет применять их в схемах, в большинстве случаев использовались электронные лампы, например, в усилителях постоянного тока с высокоомным входом, в истоковых повторителях с особо высокоомным входом, в электрометрических усилителях, различных реле времени, RS - генераторах синусоидальных колебаний низких и инфранизких частот, в генераторах пилообразных колебаний, усилителях низкой частоты, работающих от источников с большим внутренним сопротивлением, в активных RC - фильтрах низких частот. Полевые транзисторы с изолированным затвором используют в высокочастотных усилителях, смесителях, ключевых устройствах.

Полевые транзисторы имеют вольт-амперные характеристики, подобные ламповым, и обладают всеми принципиальными преимуществами транзисторов.

Полупроводниковый диод – двухэлектродный  полупроводниковый прибор, действие которого основано на использовании  свойств электронно-дырочного перехода. Основное свойство полупроводникового диода – односторонняя проводимость, позволяющая применять полупроводниковые  диоды в качестве выпрямителей переменного  тока. Прообразом современных полупроводниковых  диодов был кристаллический детектор, состоящий из кристалла (карборунда, цинкита) и металлической пружинки, острие которой прижималось к  поверхности кристалла. Эффект выпрямления  у таких детекторов зависел от выбранной точки соприкосновения  пружинки с кристаллом и отличался  большой неустойчивостью, что требовало  периодических поисков "чувствительной" точки. В современных точечных полупроводниковых  диодах используются пластинки из кристаллов кремния или германия, а контакт  металлической иглы с полупроводником  подвергается особой электрической  формовке. Эти меры наряду с применением  герметической оболочки обеспечивают большую стабильность и долговечность точечных полупроводниковых диодов. Помимо детектирования радиосигналов всех частот вплоть до сотен тысяч МГц, точечные полупроводниковые диоды применяются для преобразования частоты, в измерительной радиоаппаратуре и т.д. и т.п. Наиболее обширную группу полупроводниковых диодов образуют плоскостные диоды, в которых электронно-дырочный переход создается теми же методами, что и в плоскостных транзисторах: вплавлением примесей, путем диффузии примесных веществ в объем исходной пластинки. Полупроводниковые диоды применяются также для многих других целей, в том числе для селекции импульсов определенной полярности, для стабилизации напряжения, в качестве управляемого конденсатора и др. Особыми разновидностями полупроводникового диода являются переключающие диоды с тремя р-п-переходами, двухбазовый диод (применяют главным образом в импульсных пусковых схемах) и туннельный диод, фотодиод и обращенный диод.

Туннельный диод – двухэлектродный  диод полупроводниковый прибор, который  применяется для усиления и генерирования  высокочастотных электрических  колебаний и в качестве быстродействующего переключателя в импульсных и  электронных логических устройствах. Принцип работы туннельных диодов основан  на явлении квантовомеханического туннельного эффекта. Туннельные диоды применяются в широкополосных усилителях, для усиления и генерирования высокочастотных электрических колебаний и в качестве быстродействующего переключателя в импульсных и электронных логических устройствах.