книги / Электронные приборы контроля и автоматизации нефтехимического производства

Г л а в а II

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

В области радиотехники и электроники последние годы ха­ рактерны развитием производства и применения полупроводни­ ковых приборов — диодов, триодов, термисторов, фотоэлементов, термоэлементов и т. д. Это объясняется большими преимуществами полупроводниковых приборов по сравнению с электровакуум­ ными: отсутствием накаливаемого катода, малой мощностью хо­ лостого хода и определяемой этими факторами большой эконо­ мичностью, малыми габаритными размерами, высокой механиче­ ской прочностью и очень большой долговечностью.

В схемах промышленной автоматики в настоящее время ши­ роко применяются полупроводниковые диоды, термисторы и фо­ тоэлементы и все чаще применяются полупроводниковые триоды. Нет никаких сомнений в том, что в дальнейшем использование полупроводниковых приборов в схемах автоматики будет непре­ рывно возрастать.

По принципам действия и свойствам полупроводниковые приборы отличаются от аналогичных вакуумных приборов.

Вакуумные приборы основаны на управлении движением

с электронными лампами, нельзя механически переносить на схемы с полупроводниками. Даже имея большой опыт эксплуа­ тации электронных приборов, необходимо перед работой с полу­ проводниками предварительно изучить их свойства и особенности.

В этой главе описаны принципы действия и основы приме­ нения полупроводниковых приборов.

Физические процессы, происходящие в полупроводниках, очень сложны, но при описании приходится их значительно упро­ щать.

§ 1. Свойства полупроводников

Проводники, диэлектрики и полупроводники. Все вещества, встречающиеся в природе, по их электропроводности можно раз­ делить на три группы: проводники, диэлектрики и полупровод-

42

ники. Проводники имеют большую электропроводность (малое электрическое сопротивление), к ним относятся металлы. Ме­ таллы характеризуются положительным температурным коэф­ фициентом электросопротивления, т. е. при повышении темпе­ ратуры электрическое сопротивление возрастает. Диэлектрики (изоляторы) не пропускают электрический ток или пропускают незначительно. К ним относятся фарфор, слюда, резина, кварц, пластмассы и другие материалы. Полупроводники занимают про­ межуточное положение между проводпиками и диэлектриками. Даже при нормальных условиях полупроводники имеют замет­ ную электропроводность; электропроводность полупроводников в этих условиях во много раз меньше, чем у проводников. Кроме того, у разных полупроводников электропроводность может различаться в десятки и сотни тысяч раз В отличие от металлов

все полупроводники имеют отрицательный температурный коэф­ фициент электросопротивления, т. е. при повышении температуры электрическое сопротивление полупроводников уменьшается.

На рис. 25 указаны пределы удельного сопротивления про­ водников, полупроводников и диэлектриков. Эти пределы, осо­ бенно для полупроводников, указаны приблизительно. Границы между диэлектриками и полупроводниками, а также полупровод­ никами и металлами часто стираются, так как электропровод­ ность полупроводников сильно зависит от внешних условий, главным образом от температуры и воздействия излучений.

Основная особенность полупроводников — способность их из­ менять величину электропроводности под воздействием различ­ ных факторов.

К полупроводникам относится большая часть веществ, встре­ чающихся в природе, — почти все минералы, сульфиды и окислы. Из простых веществ (элементов) к полупроводникам относятся германий, кремний, селен, теллур и др.

До последнего времени в технике в качестве электротехниче­ ских материалов применялись почти исключительно проводники и диэлектрики, первые — для изготовления токонесущих частей, а вторые — для изготовления изоляторов, препятствующих утечке тока. Применение полупроводников в основном ограничи­ валось использованием кристаллических детекторов в детекторных приемниках, купроксных выпрямителей и селеновых фотоэле­ ментов. Причем глубокого понимания физических процессов, происходящих в полупроводниках, не было. Это явилось одной

43

из примни малого использования полупроводников. После того как ученые проникли в тайны физических процессов, техника полупроводников стала развиваться бурными темпами. Были произведены открытия, в корне изменяющие лицо радиотехники и электроники.

Чтобы понять действие полупроводниковых приборов, нужно прежде всего познать механизм электропроводности полупровод­ ников. Для этого необходимо вспомнить структуру вещества, строение атомов и молекул.

Строение вещества. Механизм электропроводности металлов

иполупроводников. Большинство твердых тел имеет кристалли­

ческое строение. Это значит, что атомы и молекулы, составляю­ щие эти тела, расположены в строго определенном геометриче­ ском порядке. Известно много различных систем расположения атомов в кристаллических телах. Эти системы обычно называются кристаллическими решетками, так как они напоминают решетку по форме и жесткости взаимного расположения атомов. Кроме того, кристаллические решетки делятся на несколько видов в за­ висимости от физических явлений, послуживших причиной обра­ зования их. Этп решетки могут быть металлическими, ионными

иатомными.

К р и с т а л л и ч е с к а я р е ш е т к а м е т а л л о в очень свое­ образна, она состоит из положительных ионов, т. е. из атомов металла, потерявших свои валентные электроны. Валентные электроны всех атомов, вошедших в данную кристаллическую систему, свободно передвигаются внутри кристаллической решетки и создают электростатические силы, которые удерживают ионы на своих местах в узлах кристаллической решетки. Эти же электро­ статические силы взаимодействия валентных электронов и ионов не позволяют электронам легко покидать пределы металла.

Таким образом, в металлах своеобразно «обобществляются» валентные электроны, которые свободно передвигаются внутри металла, но не покидают его при нормальных условиях. Элек­ троны с поверхности металлов вылетают в тех случаях, когда они получают дополнительную энергию извне, напрпмер при нагреве или воздействии света.

Большое количество свободных электронов определяет высокую электропроводность металлов. Когда к концам металлического проводника прикладывают разность потенциалов, то на хаотиче­ ское движение электронов накладывается упорядоченное движе­ ние, смещение их в сторону более высокого потенциала, т. е. возникает электрический ток в металле. Положительный темпе­ ратурный коэффициент электросопротивления металлов объяс­ няется тем, что при повышении температуры количество носите­ лей тока — свободных электронов — не изменяется, условия для их движения в определенном направлении ухудшаются. Последнее происходит вследствие усиления беспорядочного те­ плового движения самих электронов, а также увеличения ампли­ туды колебаний ионов, составляющих кристаллическую ре­

44

тетку, что приводит к увеличению столкновений электронов между собой и с узлами кристаллической решетки.

Известно, что электропроводность и температурный коэф­ фициент электросопротивления сплавов всегда меньше, чем у чи­ стых металлов. Это является результатом того, что кристалличе­ ская решетка сплавов менее правильного строения, чем решетка чистых металлов. Поэтому условия перемещения электронов в сплавах хуже, но эти условия мало изменяются с пзмснеппем температуры.

И о н н ы е к р и с т а л л и ч е с к и е р е ш е т к и строятся по дру­ гому принципу. В этом случае кристалл образуется вследствие вза­ имного электростатического притяжения ионов, имеющих заряды различных знаков. Например, поваренная соль (хлористый натрий) состоит из ионов натрия и хлора. Атом натрия легко теряет свой единственный валентный электрон и становится однозарядным положительным ионом. Хлор имеет семь валентных электронов и поэтому свободно присоединяет один электрон, при этом стано­ вится однозарядным отрицательным ионом. При взаимодействии атомов натрия и хлора происходит их взаимная ионизация, после чего начинают действовать электростатические силы притяжения — образуется кристаллическая решетка, состоящая из попов на­ трия и хлора. Эти ноны располагаются в кристалле в определен­ ном порядке и на определенных расстояниях, так как увеличе­ нию расстояния между ними мешают силы притяжения, а умень­ шать расстояние не позволяют силы отталкивания, возникаю­ щие при чрезмерном сближении между электронами внешних слоев сближающихся попов. Очевидно, что в таком кристалличе­ ском теле не может быть значительного количества свободных электронов, так как все валентные электроны связаны с ионами кристаллической решетки.

А т о м н ы е к р и с т а л л и ч е с к и е р е ш е т к и свойственны кристаллическим телам, построенным из атомов одного типа. В част­ ности, по такому типу построены кристаллы германия и кремния.

В подобных кристаллах валентные электроны каждого атома занимают такую орбиту, при которой валентный электрон взаи­ модействует с ядром своего атома и с ядром одного из соседних атомов. Вследствие этого все атомы оказываются связанными между собой. Простейшим примером такой связи является моле­ кула водорода Нг, состоящая из двух атомов. Каждый атом во­ дорода имеет по одному электрону. При сближении двух атомов орбиты их электронов изменяются так, что электроны начинают взаимодействовать с обоими ядрами. На рис. 26, а показаны два изолированных атома водорода, а на рис. 26, б одно из возможных размещений ядер и электронов в молекуле водорода. На рис. 26, в приведено условное обозначение строения молекулы водорода Н: два кружка со значком Н, изображающие атомы водорода, соеди­ нены двумя черточками, изображающими два общих электрона. Связь между атомами в молекуле или кристалле, осуществляемая общими электронами, называется ковалентной связью (т. е.

45

связью совместной валентности). Алмаз (разновидность углерода), германий и кремний имеют кристаллическую решетку так назы­ ваемого алмазного типа. Характерная особенность решетки со­ стоит в том, что каждый атом соединен с четырьмя соседними ато­ мами ковалентной связью при помощи двух валентных электро­ нов, из которых один является своим, а другой «чужим». На рис. 27 показано условное изображение строения кристалла углерода.

Все полупроводники и диэлектрики имеют ионные и атомные кристаллические решетки. Казалось бы, что все эти вещества должны быть диэлектриками, так как нормально их кристалли­ ческие решетки не содержат свободных электронов, которые могли бы служить носителями электрического тока. Оказывается, что большинство из этих веществ имеют заметную электропровод­ ность. Чем это объясняется?

Рис. 26. Образование молекулы водорода.

Для ответа на этот вопрос необходимо рассмотреть строение отдельных атомов и их систем в связи с распределением энергии.

Атом любого элемента состоит из положительно заряженного ядра и электронов, расположенных вокруг него в виде системы оболочек с возрастающими радиусами. Чем дальше отстоит обо­ лочка от ядра, тем больше энергия электронов, находящихся на этой оболочке. Самую большую энергию имеют электроны наружного слоя, так называемые валентные электроны.

Взаимодействие электронов атома с ядром и друг с другом определяет наличие в атомах и их системах особых закономер­ ностей, отличающихся от законов классической механики. Именно в этих случаях электроны подчиняются законам квантовой ме­ ханики. В частности, энергия электрона подчинена принципу квантования, т. е. электрон в атоме может принимать только определенные значения энергии, отличающиеся одно от другого конечными величинами. Этим количествам энергии отвечает по­ ложение электрона на соответствующих оболочках атома.

Графически энергетическое состояние электронов в атоме можно представить диаграммой энергетических уровней (рис. 28, а). Энергия дозволенных состояний или оболочек изображена гори­ зонтальными прямыми линиями на вертикальной шкале энергий. Эти дозволенные уровни разделены широкими промежутками запрещенных уровней.

При объединении отдельных атомов в кристалл, в твердое тело, между ними возникает электрическое взаимодействие,

46

изменяющее распределение энергетических уровней. Под воздей­ ствием электрических полей рядом расположенных атомов каж­ дый энергетический уровень расщепляется на целые полосы или зоны. При этом максимальному расщеплению подвергается уровень валентных электронов. На рис. 28, б. показан график энергетических полос или зон твердого тела. Полосы или диапа­ зоны разрешенных значений энергии отделены друг от друга диапазонами запрещенных значений энергии. Электрон, связан­ ный с атомом, может иметь любую энергию в пределах каждой из зон разрешенных значений энергии.

Энергия электрона (как и других атомарных частиц) Е изме­ ряется в особых единицах — электроновольтах (эв). Электроно-

вольт равен энергии, которую приобретает заряженная частица, несущая один элементарный заряд (заряд электрона) при про­ хождении разности потенциалов в 1 в.

Зоны разрешенных значений энергии в твердом теле обычно имеют ширину в несколько электроновольт. В зависимости от вещества запрещенные зоны имеют значения, различающиеся по величине в несколько электроновольт.

Могут быть разрешенные зоны с достаточно высокими значе­ ниями энергии, попадая в которые электрон может переходить от атома к атому, т. е. свободно передвигаться внутри кристалла. Такая зона называется зоной проводпмостп, так как в ней элек­ трон может участвовать в электропроводности вещества.

На рнс. 29 показаны валентная зопа 1, заполненная электро­ нами, и зона проводимости 2 твердого тела. Эти зоны разделены запрещенной зоной, ширина которой Д Е. Пока валентная зона заполнена, а зона проводимости пуста, электропроводность дан­ ного тела равна нулю. Если какой-нибудь из электронов валент­ ной зоны получит добавочную порцию энергии Е, которая больше ширины запретной зоны А Е (Е > А Е), то этот электрон перейдет

47

<Д Е), то электрон останется в пределах валентной зоны. Именно ширина запретной зоны между валентной зоной и

зоной проводимости определяет, к какому классу относится дан­ ное вещество, т. е. к классу диэлектриков или полупроводников.

вполупроводниках при повышении темпера­

туры или воздействии излучений. При повышении темпе­ ратуры валентные электроны получают извне добавочную энер­ гию, однако не в равных количествах вследствие статистического распределения тепловой энергии всего кристалла между отдель­ ными атомами. Это значит, что большая часть электронов полу­ чает энергию в количестве, незначительно отличающемся от средней величины, соответствующей данной температуре кри­ сталла. Некоторое количество электронов получит энергию зна­ чительно меньше и значительно больше этой величины. Например, при нормальной температуре (20° С) среднее количество энер­ гии, получаемое электронами за счет тепла, равно 0,04 эв, однако некоторые из них получат 2—3 эв, а отдельные электроны мо­ гут получить 5—6 эв.

Для возбуждения валентных электронов, т. е. переброса их в зону проводимости, для различных веществ требуется различ­ ное количество добавочной энергии, равное величине запретной зоны А Е . Например, в селене эта энергия равна 1,7 эв, в кремнии 1,1 эв, в германии 0,75 эв, в теллуре 0,36 эв, в типичных диэлек­ триках 6—8 эв. Отсюда может быть понятной разница в электро­

48

проводности полупроводников и диэлектриков при нормальной температуре.

В полупроводниках, поскольку они имеют энергию возбужде­ ния мепыпе 2 эв, уже при нормальной температуре возбуждается большое количество электронов и они имеют заметную электро­ проводность. В диэлектриках при нормальной температуре только отдельные электроны, которым особенно «повезло», по­ лучат энергию, достаточную для возбуждения (6—8 эв), поэтому электропроводность диэлектриков незначительна. Однако, уве­ личивая количество энергии, сообщаемой кристаллу, можно и в диэлектрике получить заметную электропроводность. На­ пример, стекло пли фарфор, будучи нагреты до температуры 500—600° С, приобретают заметную электропроводность. Кри­ сталл хлористого калия, облученный ультрафиолетовым светом, также начинает проводить электрический ток.

Из сказанного ясно, почему полупроводники имеют не поло­ жительный температурный коэффициент электросопротивления, как металлы, а отрицательный. При повышении температуры в полупроводниках значительно возрастает количество носите­ лей электрического тока. Хотя условия для передвижения элект­ ронов ухудшаются (как говорят, уменьшается подвижность но­ сителей тока), так же как и в металлах, в общем сопротивление значительно уменьшается.

При исследовании полупроводников было замечено, что их электропроводность при ее практическом измерении примерно в 2 раза больше величины, получаемой расчетным путем с уче­ том количества электронов, возбуждаемых при данной темпера­ туре. Выяснение причин этого явления привело к утверждению иного взгляда па механизм электропроводности полупроводни­ ков. Оказывается, что носителями электрического тока в полу­ проводниках являются не только свободные электроны, находя­ щиеся в зоне проводимости, но и связанные электроны валентной зоны, получившие возможность передвигаться от атома к атому после того, как некоторые (возбужденные)^электроны разорвали связи с атомами и покинули свои места.

Рассмотрим это подробнее на веществе с атомной кристалличе­ ской решеткой, например германии (химический символ Ge). На рис. 30, а дано условное плоское изображение кристалли­ ческой решетки германия, в которой аналогично решетке угле­ рода (алмазного типа) каждый атом связан с четырьмя соседними ковалентной связью при помощи двух электронов. При возбу­ ждении одного из валентных электронов, например путем нагрева, он разрывает свою связь с атомами, выходит внутрь кристалличе­ ской решетки и становится свободным. В том месте, где нахо­ дился этот электрон, появляется незаполненная связь, так ска­ зать «пустое место» или по установившейся терминологии — дырка. Дырка — это область преобладания положительного за­ ряда, так как атом, потерявший валентный электрон, стано­ вится положительным ионом. Выход электрона со своего места

в кристаллической решетке и появление вследствие этого двух неуравновешенных зарядов (отрицательного — свободного элек­ трона и положительного — дырки) показаны на рис. 30, б.

Оказывается, что дырка не находится на одном месте. Для перехода валентных электронов от одного атома к другому, со­ седнему атому без разрыва связи с кристаллической решеткой не требуется сообщения дополнительной энергии этим электро­ нам, так как валентные электроны различных атомов находятся на одинаковых энергетических уровнях, т. е. имеют одинаковую энергию. К атому, потерявшему валентный электрон, сейчас же перейдет электрон от какого-либо соседнего атома. При этом положительный заряд в первом атоме скомпенсируется, но поя­ вится положительный заряд во втором атоме, с которого электрон

Свободный электрон Дырка

Рис. 30. Строение кристалла германия (а) и образова­ ние в нем пары электрон—дырка (б.)

перешел на первый атом. Это эстафетное движение электронов от атома к атому приводит к перемещению «пустого места» в про­ странстве. Следовательно, в данном случае будем иметь переме­ щение по кристаллической решетке положительного заряда. Надо ясно представить, что в данном случае перемещается не положительный ион, а «пустое место», где не хватает электрона, т. е. дырка. Движение дырки сводится к эстафетному движению электронов, но это не означает, что движутся свободные электроны. Движение дырки аналогично движению частицы, имеющей еди­ ничный положительный заряд и массу, примерно равную массе электрона.

Таким образом, при возбуждении одного из электронов в кри­

электрон и дырка будут участвовать в хаотическом тепловом движении. Если внутри кристалла создать электрическое поле, электроны начнут дрейфовать в одном направлении (от минуса

кплюсу), а дырки — в противоположном направлении (от плюса

кминусу). Таким образом, в полупроводниках количество носи­ телей тока вдвое больше количества свободных электронов,

50