НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ДІОД. ЗАСТОСУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКІВ
ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ
Розділ 1 Електричне поле і струм
§ 11. НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ДІОД. ЗАСТОСУВАННЯ НАПІВПРОВІДНИКІВ
Вам вже відомо, що в електронній лампі носії заряду – електрони – виникають внаслідок термоелектронної емісії. Це потребує спеціального джерела електричної енергії для розжарення нитки катода. У р-n-переході носії заряду утворюються тоді, коли у кристал вводять акцепторну або донорну домішку. Отже, відпадає потреба використовувати джерело енергії для одержання вільних носіїв заряду. У складних схемах зекономлена
Мал. 43
Мал. 44
Напівпровідникові випрямлячі при таких самих значеннях випрямленого струму мініатюрніші, ніж електронні лампи, тому радіосхеми на напівпровідниках компактніші.
Зазначені переваги напівпровідникових приладів особливо істотні для використання їх на штучних супутниках Землі, космічних кораблях, в ЕОМ.
Напівпровідникові діоди виготовляють з германію, кремнію, селену та інших речовин.
Розглянемо утворенняр-л-переходу при використанні в діоді германію, що має провідність л-типу
Щоб запобігти шкідливим впливам повітря і світла, кристал германію вміщують у герметичний металевий корпус (мал. 44, а). Схематичне зображення діода подано на мал. 44, б.
Напівпровідникові випрямлячі мають високу надійність і працюють тривалий час. Проте вони можуть працювати лише в обмеженому інтервалі температур(приблизно від – 7 0 до 125 °С) .
З 9 класу ви знаєте, що у напівпровідниках електричний опір значною мірою залежить від температури. Цю властивість використовують для вимірювання температури за силою струму в колі з напівпровідником. Такі прилади називають термісторами або терморезисторами.
Термістори – одні з найпростіших напівпровідникових приладів. Для їх виготовлення використовують германій, селен та ін. Термістори випускають у вигляді стержнів, трубок, дисків, шайб і намистин розміром від кількох мікрометрів до кількох сантиметрів.
Діапазон вимірюваних температур більшості термісторів лежить в інтервалі від 170 до 570 К. Проте є термістори для вимірювання дуже високих (до 1300 К) і дуже низьких (від 4 до 80 К) температур.
Термістори застосовують для дистанційного вимірювання температури, протипожежної сигналізації тощо.
Електрична провідність напівпровідників підвищується не тільки від їх нагрівання, а й від їх освітлення. При освітленні напівпровідника сила струму в колі помітно зростає, що свідчить про збільшення провідності (зменшення опору) напівпровідників під дією світла. Цей ефект не пов’язаний з нагріванням, оскільки він може спостерігатися і при незмінній температурі.
Електрична провідність зростає внаслідок розривання зв’язків і утворення вільних електронів і дірок за рахунок енергії світла, що падає на напівпровідник. Це явище називають фотоелектричним ефектом. Прилади, в яких використовують фотоелектричний ефект у напівпровідниках, називають фоторезисторами або фотоопорами. Завдяки мініатюрності й високій чутливості фоторезистори використовуються в найрізноманітніших галузях техніки для реєстрації і вимірювання слабких світлових потоків. За допомогою фоторезисторів визначають якість поверхонь, контролюють розміри виробів тощо.
Це цікаво знати
Першим кроком у дослідженні напівпровідників було відкриття у 1822 р. німецьким фізиком Т. Зеебеком явища виникнення ЕРС у колі з різних напівпровідників, місця з’єднання яких підтримувалися при різних температурах. Суть дослідів полягала у наступному: Зеебек, відтворюючи досліди Ерстеда, припаював два різних метали, з’єднував їх мідним провідником і розміщав усередині петлі, утвореної провідником, магнітну стрілку. Схема установки Зеебека наведена на мал. 45. Нагріваючи місце спаю за допомогою свічки, Зеебек помітив, що магнітна стрілка відхиляється! А через 12 років Ж. Пельт’є повідомив про температурні аномалії на контакті двох різнорідних провідників при проходженні через цей контакт електричного струму.
У 1821 р. учитель М. Фарадея Г. Деві встановив, що провідність “деяких металів” зменшується зі зростанням температури. Пізніше у 1833 р. вже сам Фарадей помітив, що при нагріванні сірчистого срібла його опір зменшується, тоді як відомо, що опір металів при нагріванні зростає (цю властивість використовують у термісторах – датчиках температури в електричних термометрах).
Фоточутливість напівпровідників вперше помітили в 1873 р. англійські електротехніки В. Сміті Дж. Мей, які при
Мал. 45
Мал. 46
Виготовленні високоомних опорів із селену спостерігали зменшення його опору при освітленні (цю властивість використовують у фоторезисторах – складових приладів для вимірювання світлових величин). Це явище відразу ж знайшло практичне використання: скориставшись високою фоточутливістю селену, американський винахідник А. Белл сконструював “фотофон” – прилад для передавання людської мови на відстань прямого зору, а вже на початку XX ст. за допомогою селенових фотоопоріЕ було здійснено передачу зображень по проводах. У1888 р. Російський фізик В. Ульянін у Казані опублікував повідомлення про відкриття ним явища виникнення фотоелектрорушійної сили при освітленні селену крізь напівпрозорий електрод. Знову про це явище повідомив у 1924 р. Г. Гейгер, а в 1932 р. А. Ланге побудував із закису міді перший фотоелемент із запірним шаром.
У 1922 р. інший російський фізик Нижегородської радіолабораторії О. Лосєв сконструював кристалічний детекторний приймач (кристадин), дію якого не могла пояснити жодна фізична лабораторія світу, Дослідження уніполярної (однобічної) провідності деяких речовин проводив німецький фізик Г. Ом, а перший напівпровідниковий (сульфідний) випрямляч для технічного застосування виготовив у 1906 р. у Росії П. Павловський.
Відкриття ж фізичних ефектів, покладених в основу транзистора, пов’язане саме з діяльністю видатного українського фізика В. Лашкарьова (1903-1974). Він по праву мав би одержати Нобелівську премію з фізики за відкриття транзисторного ефекту, якої в 1956р. були удостоєні американські учені Дж. Бардін, В. Шоклі, У. Браттейн.
Ще в 1941 р. В. Лашкарьов опублікував статтю “Дослідження запірних шарів методом термозонда” і у співавторстві з К. Косоноговою – “Вплив домішок на вентильний фотоефект в закису міді”. Лашкарьов встановив, що обидві сторони “запірного шару”, розташованого паралельно межі поділу мідь-закис міді, мають протилежні знаки носіїв струму. (На мал. 46 наведено купрокс-діод нар-л-переході (мідь-закис міді). Його виготовили на військовому заводі в Уфі під керівництвом Лашкарьова під час Другої світової війни і використовували у військових польових радіостанціях.)
Це явище одержало назву р-л-переходу. Вчений пояснив і механізм інжекції – важливого явища, на основі якого діють напівпровідникові діоди і транзистори.
Перше повідомлення в американському виданні про появу напівпровідникового підсилювача-транзистора з’явилося лише у липні 1948 р., тільки через 7 років після статті В. Лашкарьова. Його винахідники – американські учені Бардін і Браттейн пішли по шляху створення так званого точкового транзистора на базі кристала германію л-типу. Перший обнадійливий результат вони одержали наприкінці 1947 р. Проте прилад поводився нестійко, його характеристики відрізнялися непередбачуваністю, і тому практичного застосування точковий транзистор не дістав.
У 1951 р. у США з’явився надійніший – площинний – транзистор л – р-л-типу. Його створив Шоклі. Транзистор складався з трьох шарів германію л-, р – і л-типу, загальною товщиною 1 см, він зовсім не був схожий на подальші мініатюрні, а з часом і невидимі оку компоненти інтегральних схем.
До речі, отримати чисті монокристали германію та кремнію і на їх основі створити площинні транзистори та діоди вдалося іншому українському вченому В. Тучкевичу, який розробив також технологію виготовлення силових напівпровідникових вентилів (тиристорів).
Уже через декілька років значущість винаходу американських учених стала очевидною, і вони були нагороджені Нобелівською премією. Можливо, “холодна війна”, що почалася тоді, відіграла свою рольутому, що В. Лашкарьов не став Нобелівським лауреатом. Його інтерес до напівпровідників не був випадковим. Починаючи з 1939 р. і до кінця життя учений послідовно і результативно займався дослідженням їх фізичних властивостей. На додаток до двох перших праць Лашкарьов у співавторстві із В. Ляшенком опублікував статтю “Електронні стани на поверхні напівпровідника”, в якій було описано результати досліджень поверхневих явищ в напівпровідниках, що стали основою роботи інтегральних схем на базі польових транзисторів.
Під керівництвом В. Лашкарьова на початку 50-х років XX ст. в Інституті фізики АН УРСР було організовано виробництво точкових транзисторів. Сформована ним наукова школа у галузі фізики напівпровідників стала однією з провідних у колишньому СРСР. Визнанням видатних результатів стало створення в 1960 р. Інституту напівпровідників АН УРСР, який очолив В. Лашкарьов. У 2002 р. ім’я В. Лашкарьова присвоєно заснованому ним Інституту напівпровідників НАН України.
Ті, хто глибше цікавиться фізикою, можуть дослідити залежність сили струму діода від температури й освітленості. Для цього ще треба мати фотодіод та мікроамперметр чи міліамперметр (до 5 мА).
Задачі та вправи
Розв’язуємо разом
1. Чи втрачає свою теплову енергію під час зіткнення з йонами гратки електрон провідності металу?
Розв’язання
Ні. Він втрачає тільки незначну кінетичну енергію, якої він набув при напрямленому русі в електричному полі.
2. Дистильована вода навіть після подвійної перегонки трохи проводить струм. Як це пояснити?
Розв’язання
Дуже мала частина молекул води дисоційована, і утворені йони Н+ та ОН” спричиняють невелику провідність води.
3. Яка провідність напівпровідникового матеріалу – вища, власна чи домішкова?
Розв’язання
Домішкова (за тих невисоких температур, під час яких використовують більшість напівпровідникових пристроїв та елементів схем).
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...