1.

Ze względu na sposób zapełniania elektronowych pasm energetycznych możemy dokonać podziału ciał stałych na przewodniki, izolatory i półprzewodniki.

2.

Półprzewodnik samoistny jest to półprzewodnik, którego materiał jest idealnie czysty bez żadnych zanieczyszczeń struktury krystalicznej, których koncentracja elektronów jest równa koncentracji dziur.

 domieszkowe
Kryształy półprzewodnikowe zawierające w swojej budowie atomy innych pierwiastków nazywamy półprzewodnikami domieszkowymi. Dzielą się one na:

1. półprzewodniki typu n

Dodanie pierwiastka z grupy V układu okresowego, np. arsen, a więc atomu posiadającego pięć elektronów walencyjnych, sprawia, że zwiększa się przewodnictwo elektronowe. Piąty elektron nie bierze udziału w tworzeniu wiązania kowalencyjnego, a więc jest słabo związany z jądrem. Znajduje się on w stanie o energii tuż poniżej pasma przewodnictwa (na które można łatwo "wskoczyć", jeśli uzyska dość energii termicznej), który nazywamy poziomem donorowym.

2. półprzewodniki typu p

Dodanie pierwiastka z grupy III układu okresowego powoduje zwiększenie przewodnictwa dziurowego. Wówczas jedno z wiązań jest niepełne i tworzy się poziom akceptorowy.

3.

Złącze p-n. Diody

Diodę stanowią dwa półprzewodniki, jeden typu n, drugi typu p, zetknięte ze sobą. Taki układ nazywamy złączem p-n.

Gdy stykamy półprzewodniki typu p i typu n w cienkiej warstwie blisko granicy zetknięcia następuje "przechodzenie" elektronów swobodnych do dziur. W wyniku tego powstaje tzw. warstwa zaporowa o bardzo dużym oporze, bo w jej obszarze nie ma prawie nośników ładunku; obszar typu p ma niższy potencjał elektryczny od obszaru typu n. Powstała różnica potencjałów nosi nazwę bariery potencjału, gdyż zapobiega dalszemu przenoszeniu elektronów.




Na rysunku powyżej pokazano dwa sposoby podłączenia diody do obwodu elektrycznego. Jeśli podłączymy diodę w taki sposób, że dodatni biegun źródła napięcia połączony jest z obszarem p, a ujemny z obszarem n, to zmniejszymy wewnętrzną różnicę potencjałów i w efekcie elektrony przyciągane przez biegun dodatni źródła będą "przeskakiwać" barierę potencjału z n do p. Mówimy wtedy, że podłączyliśmy diodę w kierunku przewodzenia. Jeśli natomiast podłączymy diodę do obwodu odwrotnie, wówczas bariera potencjału zwiększa się. Następuje spolaryzowanie diody w kierunku zaporowym.

Złączem PN nazywamy bryłę półprzewodnika utworzoną przez dwa graniczące ze sobą obszary typu P oraz N. Charakterystyczną cechą każdego złącza PN, mającą istotne znaczenie dla jego działania, jest rozkład domieszek w obszarach P oraz N, zwłaszcza zaś w pobliżu granicy obu obszarów. Rozpatrując działanie złącza PN, zakładamy, że obszary P i N mają rezystancję równą zeru, czyli całe napięcie zewnętrzne występuje na warstwie zaporowej, powstającej na styku obszarów P i N. Przyjęcie tego założenia jest możliwe, ponieważ dominujący w wypadkowej rezystancji złącza ma rezystancja warstwy zaporowej.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia występuje, gdy napięcie zewnętrzne jest doprowadzone do złącza PN, w taki sposób, że biegun dodatni źródła napięcia U jest połączony z obszarem P, biegun zaś ujemny z obszarem N.

Polaryzacja zewnętrzna jest wówczas przeciwna do biegunowości napięcia dyfuzyjnego, powstającego na styku obszarów, zatem bariera potencjału maleje o wartość napięcia zewnętrznego; zmniejsza się również szerokość warstwy zaporowej. Wskutek mniejszej bariery potencjału wzrasta prawdopodobieństwo przejścia nośników większościowych poprzez warstwę zaporową, a więc znacznie zwiększa się prąd dyfuzji elektronów z obszaru N do obszaru P oraz dziur z P do N. W miarę zwiększania napięcia zewnętrznego prąd dyfuzyjny staje się coraz większy, osiągając bardzo duże wartości gdy wartość napięcia zewnętrznego zbliża się do wartości około 0,7 V, dla złącza krzemowego.

Polaryzacja w kierunku zaporowym występuje wówczas, gdy biegun dodatni źródła napięcia zewnętrznego połączony jest z obszarem N, biegun zaś ujemny z obszarem P.

W skutek zgodności polaryzacji zewnętrznej z biegunowością napięcia dyfuzyjnego złącza bariera potencjałów zwiększa się o wartość napięcia zewnętrznego a warstwa zaporowa rozszerza się. Dyfuzja nośników przez tak zwiększoną barierę jest, praktycznie rzecz biorąc, niemożliwa. Przez złącze PN płynie zatem tylko bardzo mały prąd nośników mniejszościowych nazywany prądem wstecznym złącza PN. Przy polaryzacji złącza PN w kierunku zaporowym napięciem większym niż pewna charakterystyczna dla danego złącza wartość napięcia nazywana napięciem przebicia, następuje raptowny wzrost prądu płynącego przez złącze. Zjawisko to nosi nazwę przebicia złącza.

Wyróżnia się dwa mechanizmy przebicia złącza: przebicie Zenera i przebicie lawinowe.

Przebicie Zenera wiąże się z jonizacją elektrostatyczną atomów w sieci krystalicznej, natomiast

przebicie lawinowe, z joizacją zderzeniową. Zjawiska przebicia złącza nie należy bezpośrednio wiązać z jego zniszczeniem. Jeżeli prąd wsteczny złącza jest odpowiednio ograniczony, to złącze dowolnie długo może pracować w zakresie przebicia. Dopiero zbyt duży prąd wsteczny, powodując nadmierne wydzielanie ciepła, może zniszczyć złącze. Zniszczenie cieplne złącza może spowodować również zbyt duży prąd przewodzenia. W obu przypadkach wiąże się to z przekroczeniem dopuszczalnej mocy strat złącza.

(WIKIPEDIA)

W stanie równowagi termodynamicznej tj. gdy z zewnątrz nie przyłożono żadnego pola elektrycznego, w pobliżu styku obszarów P i N swobodne nośniki większościowe przemieszczają się (dyfundują), co spowodowane jest różnicą koncentracji nośników. Gdy elektrony przemieszczą się do obszaru typu P, natomiast dziury do obszaru typu N (stając się wówczas nośnikami mniejszościowymi) dochodzi do rekombinacji z nośnikami większościowymi, które nie przeszły na drugą stronę złącza. Rekombinacja polega na "połączeniu" elektronu z dziurą, a więc powoduje "unieruchomienie" tych dwu swobodnych nośników.

Zatem rekombinacja powoduje redukcję nośników po obu stronach złącza, czego skutkiem jest pojawienie się nieruchomych jonów: ujemnych akceptorów i dodatnich donorów; jony te wytwarzają pole elektryczne, które zapobiega dalszej dyfuzji nośników. W efekcie w pobliżu złącza powstaje warstwa ładunku przestrzennego, nazywana też warstwą zubożaną (tj. praktycznie nieposiadającą swobodnych nośników) lub warstwą zaporową. Nieruchomy ładunek dodatni po stronie N hamuje przepływ dziur z obszaru P, natomiast ładunek ujemny po stronie P hamuje przepływ elektronów z obszaru N. Innymi słowy przepływ nośników większościowych praktycznie ustaje.

Przepływ nośników większościowych nazywany jest prądem dyfuzyjnym. W złączu mogą przepływać również nośniki mniejszościowe - jest to prąd unoszenia i jego zwrot jest przeciwny do zwrotu prądu dyfuzyjnego. Ze względu na niską koncentrację nośników mniejszościowych wartość prądu unoszenia jest niewielka, rzędu mikroamperów (10 ^{− 6}), a nawet pikoamperów (10 ^{− 12}).

Pole elektryczne ładunku przestrzennego jest reprezentowane przez barierę potencjału. W złączu niespolaryzowanym jest to napięcie dyfuzyjne, którego wartość zależy głównie od koncentracji domieszek i temperatury. W przypadku złącz wykonanych z krzemu napięcie to w temperaturze pokojowej ma wartość rzędu 0,6-0.8 V, natomiast dla złącz germanowych wynosi ok. 0,2-0,3 V. Napięcie dyfuzyjne zmniejsza się wraz ze wzrostem temperatury o ok. 2,3 mV na kelwin.

Polaryzacja złącza

Jeśli do złącza zostanie przyłożone napięcie zewnętrzne, wówczas równowaga zostanie zaburzona. W zależności od biegunowości napięcia zewnętrznego rozróżnia się dwa rodzaje polaryzacji złącza:

• w kierunku przewodzenia, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączony do obszaru P;

• w kierunku zaporowym, wówczas dodatni biegun napięcia jest dołączany do obszaru N.

Bez względu na polaryzację dla większości złącz można przyjąć, że całe napięcie zewnętrzne odkłada się na obszarze zubożonym.

Polaryzacja w kierunku przewodzenia

W tym przypadku bariera potencjału zmniejsza się o wartość zewnętrznego napięcia U, zmniejsza się również szerokość obszaru zubożonego. Gdy U przekroczy wartość napięcia dyfuzyjnego, wówczas obszar zubożony znika i praktycznie bez przeszkód następuje dyfuzja nośników mniejszościowych z obszaru N do P i z P do N. Te dodatkowe nośniki (nazywane wstrzykniętymi nośnikami mniejszościowymi) rekombinują z nośnikami większościowymi w danym obszarze. Ale ze źródła zasilania dopływają wciąż nowe nośniki większościowe, zatem dyfuzja nie zatrzymuje się jak w przypadku niespolaryzowanego złącza, lecz ma miejsce cały czas. W efekcie w obwodzie płynie prąd dyfuzyjny. Jego wartość opisuje przybliżone równanie, zwane równaniem Schokley'a

Polaryzacja w kierunku zaporowym

W tym przypadku bariera potencjału zwiększa się, gdyż do napięcia dyfuzyjnego dodaje się napięcie zewnętrzne, zwiększa się również szerokość obszaru zubożonego. Przy takiej polaryzacji płynie tylko niewielki prąd unoszenia, zwany tutaj prądem wstecznym. Wartość prądu wstecznego praktycznie nie zależy od wartości przyłożonego napięcia, zależy natomiast od temperatury i własności materiału, ponieważ to te parametry mają wpływ na ilość nośników mniejszościowych.

Przebicie lawinowe

Jeśli napięcie polaryzujące jest odpowiednio duże (a więc obszar zubożony szeroki), to nośniki przechodzące przez obszar zubożony uzyskują dużą energię. Zderzając się z węzłami siatki krystalicznej (z atomami) przekazują im część swojej energii, co powoduje przejście elektronów do pasma przewodnictwa, a co za tym idzie również "utworzenie" dziur - innymi słowy ma miejsce jonizacja. Pojawiają się w ten sposób nowe nośniki, które również są przyspieszane, zderzają się z węzłami siatki itd. Proces ten nabiera charakteru lawinowego i nazywany jest przebiciem lawinowym - jednak wbrew nazwie nie powoduje uszkodzenia złącza. Efektem tego procesu jest gwałtowny wzrost prądu w obwodzie; prąd ten zwie się prądem jonizacji lawinowej.

Przebicie lawinowe zachodzi dla napięć wstecznych większych niż 7V.

• Przebicie Zenera

Przebicie Zenera występuje w złączach silnie domieszkowanych, tzn. takich w których koncentracja domieszek (akceptorów i donorów) jest bardzo duża i zachodzi dla napięć wstecznych mnieszych od 5-6V.

4.

Charakterystyka diody zgodnie ze zjawiskami występującymi w złączy PN kształtuje się następująco.

Charakterystyczne zakresy pracy złącza oznaczone są różnymi kolorami:

• czerwony (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U < U_D, złącze praktycznie nie przewodzi, prąd jest bardzo mały;

• niebieski (polaryzacja w kierunku przewodzenia) - U > U_D, złącze przewodzi, wraz ze wzrostem napięcia prąd znacząco rośnie;

• zielony (polaryzacja w kierunku zaporowym) - płynie niewielki prąd unoszenia;

• źółty (polaryzacja w kierunku zaporowym) - przebicie lawinowe lub Zenera, prąd gwałtownie rośnie.

5.

Przewodnictwo elektronowe (przewodnictwo typu n) - to przenoszenie ładunku elektrycznego przez ciało pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego. W modelu pasmowym krystalicznych ciał stałych zjawisko polegające na tym, że elektrony zajmujące stany kwantowe w obrębie pasma przewodnictwa przesuwają się do sąsiednich nieobsadzonych stanów kwantowych w obrębie tego pasma, w kierunku przeciwnym do kierunku wektora pola elektrycznego.

W przewodnictwie elektronowym uczestniczą jedynie elektrony. W metalach elektrony przewodnictwa stanowią elektrony walencyjne poszczególnych atomów. W sieci krystalicznej odrywają się one od swoich atomów i zaczynają swobodnie poruszać się w całej objętości metalu, tworząc tzw. gaz elektronowy. Koncentracja elektronów przewodnictwa w metalach nie zależy od temperatury, natomiast ruchliwość elektronów maleje ze wzrostem temperatury (wskutek swoistego tarcia spowodowanego zderzeniami elektronów z drgającą nieharmonicznie siecią krystaliczną), co w konsekwencji powoduje zmniejszenie przewodnictwa elektrycznego właściwego. Dla metali spełnione jest prawo Ohma.

Przewodnictwo dziurowe (przewodnictwo typu p) - to przenoszenie ładunku elektrycznego przez kryształ pod działaniem zewnętrznego pola elektrycznego, polegające na tym, że elektrony pozostające w niecałkowicie zapełnionym pasmie podstawowym przesuwają się do niezajętych poziomów kwantowych (dziur elektronowych) w obrębie tego pasma w kierunku przeciwnym do wektora pola elektrycznego, co formalnie odpowiada przesuwaniu się ładunków dodatnich zgodnie z kierunkiem wektora pola elektrycznego.

6. Diody:

Rodzaje diod półprzewodnikowych:

• diody prostownicze - może być wytworzona w płytce monokryształu germanu lub krzemu w technologii dyfuzyjnej; diody prostownicze dużej mocy są zwykle zaopatrzone w radiatory, chłodzone wymuszonym obiegiem powietrza.

• diody Zenera - są to specjalne diody krzemowe, w których wykorzystuje się zakrzywienie charakterystyki prądowo-napięciowej w obszarze przebicia; diody Zenera znajdują szerokie zastosowanie w układach stabilizacyjnych, ograniczających napięcie, jako wysoko stabilne źródła napięć wzorcowych itp.

• diody tunelowe - są diody półprzewodnikowe, w których dzięki zastosowaniu bardzo dużej koncentracji domieszek powstaje bardzo wąska bariera pozwalająca na wstąpienie tzw. przejścia tunelowego; diody tunelowe są stosowane w układach wzmacniających bardzo wysokie częstotliwości.

• fotodiody - stanowi ją złącze p-n, w którym wykorzystuje się zjawisko generowania mniejszościowych nośników ładunku pod wpływem energii świetlnej. Fotodiody wykonywane są najczęściej z germanu lub krzemu. Zaletą germanu jest większy prąd fotoelektryczny, a zaletą krzemu mniejszy prąd ciemny.

• diody luminescencyine (elektrotuminescencyine) LED - zjawisko elektroluminescencji w diodach półprzewodnikowych polega na wytwarzaniu światła pod wpływem pola elektrycznego w wyniku rekombinacji dziur i elektronów w spolaryzowanym złączu p-n. Przechodzenie elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy powoduje wydzielanie energii w postaci światła.

• diody pojemnościowe (warikapy) - struktura złącza p-n diody pojemnościowej przypomina kondensator płaski. Okładkami tego kondensatora są obszary p i n o małej rezystywności, a dielektrykiem-warstwa zaporowa. Warikapy wykonuje się jako diody krzemowe stosowane do automatycznego dostrajania obwodów rezonansowych, w układach wzmacniających.

Tranzystor jest elementem półprzewodnikowym pozwalającym sterować przepływem prądu w obwodach elektrycznych. Najprostszym tranzystorem jest tranzystor bipolarny, zwany też warstwowym. Składa się on z trzech stykających się warstw półprzewodnikowych, kolejno n-p-n (tranzystor typu n) lub p-n-p (tranzystor typu p). Zasada działania obu tych rodzajów tranzystorów jest jednakowa, różnice występują tylko w polaryzacji zewnętrznych źródeł napięcia i kierunku przepływu prądu.

Na rysunku poniżej przedstawiono obwód tranzystora typu n:




Obszar typu n z lewej strony nosi nazwę emitera, czyli obszaru wprowadzającego nośniki do bazy (czyli obszaru typu p). Kolektor jest obszarem typu n z prawej strony, który zbiera nośniki. Emiter jest silnie domieszkowany, bardzo cienka baza jest lekko domieszkowana podobnie jak znacznie szerszy kolektor. Podczas pracy tranzystora jego elektrody są podłączone do źródeł napięć tak, by emiter miał potencjał ujemny, a kolektor dodatni w stosunku do bazy. Wówczas złącze na granicy emiter-baza jest spolaryzowane w kierunku przewodzenia, natomiast złącze na granicy baza-kolektor odwrotnie, czyli w kierunku zaporowym. W wyniku tego elektrony płyną swobodnie z emitera do bazy, co powoduje, że w różnych miejscach bazy występuje różna liczba elektronów; w pobliżu emitera jest ich więcej niż w pobliżu kolektora. Taki rozkład ładunku w bazie sprzyja dyfuzji elektronów w kierunku kolektora. Ze względu na małą szerokość bazy, zaledwie nieliczne elektrony wypełniają dziury w jej obszarze, natomiast znaczna większość dociera do złącza między bazą a kolektorem i może przez to złącze przeskakiwać, gdyż jest "wciągana" przez kolektor. Gdy w bazie mniejszy się liczba dziur, to w efekcie skumuluje się tam ujemny ładunek, który hamuje dopływ elektronów z emitera do bazy (i w konsekwencji do kolektora). Stosunkowo niewielki ładunek zgromadzony na bazie może zatem silnie ograniczać duży prąd z emitera do kolektora, którego przepływ mogło zapewnić zewnętrzne źródło napięcia.

Tyrystor jest elementem półprzewodnikowym składającym się z 4 warstw w układzie p-n-p-n. Jest on wyposażony w 3 elektrody, z których dwie są przyłączone do warstw skrajnych, a trzecia do jednej z warstw środkowych. Elektrody przyłączone do warstw skrajnych nazywa się katodą (K) i anodą (A), a elektroda przyłączona do warstwy środkowej - bramką (G, od ang. gate - bramka).

Tyrystor przewodzi w kierunku od anody do katody. Jeżeli anoda ma dodatnie napięcie względem katody, to złącza skrajne typu p-n są spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a złącze środkowe n-p w kierunku zaporowym. Dopóki do bramki nie doprowadzi się napięcia, dopóty tyrystor praktycznie nie przewodzi prądu. Doprowadzenie do bramki dodatniego napięcia względem katody spowoduje przepływ prądu bramkowego i właściwości zaporowe środkowego złącza zanikają w ciągu kilku mikrosekund; moment ten nazywany bywa "zapłonem" tyrystora (określenie to pochodzi z czasów, kiedy funkcję tyrystorów pełniły lampy elektronowe - gazotrony, w których przewodzenie objawiało się świeceniem zjonizowanego gazu.

Diak, odmiana tyrystora, dwukierunkowy półprzewodnikowy element wyzwalający, składający się z dwóch połączonych antyrównolegle (równolegle i przeciwsobnie) diód Schottky'ego. Diak przełącza się ze stanu blokowania do stanu przewodzenia na ogół przy napięciu około 30 V (w zależności od modelu - napięcie to nie przekracza kilkuset volt), typowa wartość prądu przewodzenia nie przekracza kilkudziesięciu amperów. Używane są zazwyczaj w układach wyzwalających triaki.

Triak, element półprzewodnikowy należący do rodziny tyrystorów. Ma pięciowarstwową strukturę n-p-n-p-n, pod względem funkcjonalnym jest odpowiednikiem dwóch tyrystorów połączonych antyrównolegle (przeciwsobnie i równolegle).

Triak ma trzy końcówki, 2 anody A1 i A2 oraz bramkę G. Triaki przewodzą prąd zmienny w obu kierunkach, a napięcie przełączania regulowane jest prądem bramki. Używane są jako łączniki dwukierunkowe, przekaźniki oraz regulatory mocy.

7.

Zjawisko Zenera występuje w silnie domieszkowanych złączach p-n spolaryzowanych zaporowo. Objawia się nagłym, gwałtownym wzrostem prądu (prądem Zenera) gdy napięcie polaryzujące przekroczy pewną charakterystyczną dla danego złącza wartość zwaną napięciem Zenera. Zjawisko Zenera jest również nazywane przebiciem Zenera, lecz to "przebicie" nie powoduje uszkodzenia złącza.

W silnie domieszkowanym złączu p-n szerokość obszaru ładunku przestrzennego jest niewielka. Jeśli napięcie polaryzcji wstecznej takiego złącza będzie większe od napięcia Zenera, to górna krawędź pasma walencyjnego obszaru typu P znajdzie się wyżej niż dolna krawędź pasma przewodzenia obszaru typu N. Dlatego jeśli elektron znajdujący się na poziomie walencyjnym w obszarze typu P przejdzie przez obszar ładunku przestrzennego do obszaru typu N, to bez zmiany energii stanie się tam swobodnym nośnikiem - elektronem znajdującym się w paśmie przewodzenia półprzewodnika typu N. Takie przejście nazywane jest przejściem tunelowym.

Ilustracja zjawiska Zenera; UD - napięcie bariery potencjału, U - napięcie polaryzacji, q - ładunek elementarny

Pojawienie się tych swobodnych nośników w obszarze N powoduje zwiększenie prądu płynącego w obwodzie. Nawet niewielki wzrost napięcia polaryzującego (przekraczającego napięcie Zenera) daje bardzo duży przyrost prądu.

Zjawisko Zenera występuje dla napięć polaryzujących nie większych niż 5-6V.

Dioda Zenera (stabilistor) - odmiana diody półprzewodnikowej, której głównym parametrem jest napięcie przebicia złącza PN. W kierunku przewodzenia (anoda spolaryzowana dodatnio względem katody) zachowuje się jak normalna dioda, natomiast przy polaryzacji zaporowej (katoda spolaryzowana dodatnio względem anody) może przewodzić prąd po przekroczeniu określonego napięcia na złączu, zwanego napięciem przebicia. Przy niewielkich napięciach (do ok 6V (Woltów)) podstawową rolę odgrywa zjawisko Zenera, powyżej - przebicie lawinowe. Napięcie przebicia jest praktycznie niezależne od płynącego prądu i zmienia się bardzo nieznacznie nawet przy dużych zmianach prądu przebicia (dioda posiada w tym stanie niewielką oporność dynamiczną).

Należy podkreślić, że identycznie zachowuje się każda dioda półprzewodnikowa, podstawowe różnice pozwalające wydzielić diodę Zenera jako oddzielną kategorię elementów to dokładne określenie napięcia przebicia, z niewielką tolerancją, typowo 5% (dla np. diod prostowniczych ważne jest aby nie było mniejsze od zadanej wartości), minimalizacja rezystancji dynamicznej, czy zapewnienie możliwie gwałtownego przejścia do stanu przebicia złącza (możliwe ostre "kolano" na charakterystyce).

Podstawowym zastosowaniem diody Zenera jest źródło napięcia odniesienia, ponadto używana bywa do przesuwania poziomów napięć, jako element zabezpieczający i przeciwprzepięciowy (transil).

---