Резистори

За зонною теорією провідності до напівпровідників належать речовини, в яких ширина забороненої зони не перевищує 3 еВ, або такі, питома електропровідність яких лежить у межах від 10² до 10^-18 См/м (відповідно у провідників— 10⁴...10³ См/м, а у діелектриків — менш як 10^-12 См/м).

Найпоширенішими напівпровідниками є германій, силіцій (кремній), селен, а також хімічні сполуки типу арсеніду галію, карбіду силіцію, сульфіду кадмію тощо.

Напівпровідники мають кристалічну структуру, в якій атоми, сполучені між собою валентними електронами, розташовуються у вузлах кристалічних граток. На рис. 3.3

Рис. 3.3. Схематичне зображення валентних зв’язків у кристалі германію

схематично показано зв'язки в кристалі германію. Зв'язок між двома сусідніми атомами здійснюється двома валентними електронами по одному від кожного атома. Такий зв'язок називається двохелектронним, або ковалентним. Тут кожен електрон зв'язку одночасно належить двом сусіднім атомам, а на зовнішній орбіті кожного атома є не _Чотири, а вісім електронів, тобто орбіту повністю заповнено ними. Такі кристалічні ґратки є ідеальними, в них усі валентні електрони

міцно зв'язані й вільних електронів немає. Подібні ґратки мають чисті напівпровідники при температурі – 273 °С, які за своїми властивостями за цих умов наближаються до ідеальних ізоляторів.

Під дією зовнішніх факторів (наприклад, нагрівання) деякі валентні електрони можуть набути достатньої енергії, щоб звільнитися від ковалентних зв'язків і перейти з валентної зони в зону провідності. При цьому в ковалентному зв'язку з'являється вільне місце, еквівалентне елементарному позитивному заряду, що за модулем дорівнює заряду електрона. Таке вільне місце в електронному зв'язку для зручності умовно називали діркою. Процес утворення пари електрон — дірка дістав назву генерації зарядів.

Кожна дірка може бути заповнена електроном із сусіднього ковалентного зв'язку. При цьому відбувається відновлення (рекомбінація) розірваного зв'язку, але розривається зв'язок у новому місці. Цей процес еквівалентний переміщенню дірки (позитивного заряду) в твердому тілі.

За відсутності зовнішнього електричного поля рух електронів і дірок у кристалі хаотичний. Під дією зовнішнього електричного поля як електрони провідності, так і дірки (валентні електрони) починають рухатися вздовж силових ліній поля впорядковано, утворюючи власну електропровідність напівпровідників (ще раз зауважимо, що насправді відбувається рух електронів провідності та валентних електронів, і ніяких дірок у природі не існує; цей термін уведено для зручності та скорочення пояснень).

Електрони провідності утворюють провідність типу п (negative), а дірки – провідність типу р (positive). В хімічно чистому кристалі напівпровідника концентрації дірок й електронів однакові, тому електричний струм у ньому утворюється як результат одночасного перенесення зарядів обох знаків у протилежних напрямках. Власна питома електропровідність напівпровідника залежить від концентрації та рухливості електронів і дірок, із збільшенням температури вона зростає.

Характер провідності суттєво змінюється, якщо в напівпровіднику є домішки. Залежно від того, атоми якої речовини введено в кристал, можна мати в ньому переважну кількість електронів (донорна домішка) або дірок (акцепторна домішка). Наприклад, якщо в кристал германію ввести атом п’ятивалентного арсену, то тільки чотири електрони зовнішньої орбіти утворять ковалентні зв’язки, а п’ятий (валентний) електрон буде надлишковим і стане вільним, створюючи домішкову електронну провідність типу п (рис. 3.4, а). Навпаки, якщо в той самий кристал увести тривалентний

Рис. 3.4. Утворення домішкової електронної (а) і діркової (б) електропровідностей у

напівпровідниках

атом індію, то кожен такий атом матиме незаповненим один ковалентний зв'язок, що еквівалентно появі додаткової дірки і відповідно діркової провідності типу р (рис. 3.4, б).

Оскільки власна провідність напівпровідників забезпечується як електронами, так і дірками, введення домішки змінює співвідношення концентрацій цих носіїв. Тому в напівпровідниках типу п електрони є основними носіями заряду, дірки – неосновними. Відповідно в напівпровідниках типу p дірки є основними носіями, а електрони – неосновними. У зв’язку з тим, що концентрації основних і неосновних носіїв заряду можуть бути різними, струми, які виникають у напівпровіднику з цієї причини, називатимемо дифузійними на відміну від дрейфового струму, що виникає під дією зовнішнього електричного поля.

Найважливішими властивостями й ознаками напівпровідників є залежність їхніх властивостей від зовнішніх умов: температури, освітленості, тиску, електричних та магнітних полів тощо. Ці властивості використовують при побудові з напівпровідникових матеріалів різноманітних параметричних елементів радіоелектронних кіл. Прикладами таких елементів є напівпровідникові резистори, що мають нелінійні ВАХ і провідність, залежну від температури, освітлення, напруги. Такі резистори знаходять широке застосування в електронній автоматиці.

Терморезистори — це напівпровідникові елементи, опір яких залежить від температури. Така залежність може бути як з негативним, так і з позитивним (позистори) температурним коефіцієнтом провідності. На рис. 3.5 показано найпростішу схему вмикання (а) та ВАХ (6) терморезистора при двох різних значеннях температури. ВАХ має три характерні ділянки:

Рис. 3.5. Спрощена схема вмикання (а) і ВАХ (б) терморезистора

майже лінійну частину ОА для малих значень струму; ділянку порушення лінійності та перегину АВ і спадну ділянку ВС, яка виникає внаслідок того, що із зростанням струму підвищується температура терморезистора, а його опір зменшується через збільшення концентрації електронів та дірок провідності. Терморезистори використовують для вимірювання і регулювання температури, вимірювання потужності високочастотних коливань, температурної сигналізації, теплового захисту, термокомпенсації, стабілізації та безконтактного регулювання струму тощо.

Фоторезистори — це напівпровідникові елементи, опір яких змінюється під дією електромагнітного випромінювання оптичного та близького до нього діапазону. На рис. 3.6 зображено схему вмикання фоторезистора (а), його вольт-амперну (б) і люкс-амперну {в) характеристики. Максимальна спектральна чутливість до потоків випромінювання та їхніх частот залежить від матеріалу, з якого виготовлено фоторезистор. Зі зростанням променевого потоку збільшується кількість електронів провідності й опір фоторезистора зменшується. Фоторезистори застосовують у різноманітних галузях науки і техніки, оскільки вони мають високу чутливість, малі габаритні розміри, просту конструкцію. На їх основі побудовано таку спеціалізовану галузь електроніки, як оптоелектроніка, де вони відіграють роль перетворювачів оптичних сигналів на електричні.

Варистори зменшують свій опір із збільшенням прикладеної напруги, причому полярність напруги значення не має. На рис. 3.7 показано схему вмикання (а) і ВАХ (б) варистора. Остання має вигляд степеневої функції завдяки особливим властивостям кристалів карбіду силіцію, з яких його виготовлено. Ці особливості полягають у тому, що із збільшенням прикладеної до варистора напруги зростає напруженість електричного поля між окремими

Рис. 3.6. Схема вмикання (а), вольт-амперна (б) і люкс-амперна (в) характеристики

фоторезистора

кристалами. Це супроводжується електростатичною емісією з гострих граней кристалів й електричним пробиванням оксидних плівок на поверхнях кристалів, що призводить до різкого зростання провідності.

Рис. 3.7. Схема вмикання (а) і ВАХ (б) варистора

Оскільки ВАХ варистора симетрична, його можна застосовувати в колах постійного і змінного струмів. Варистори використовують для захисту приладів та елементів схем від перевантаження, для стабілізації струмів і напруг, регулювання та перетворення електричних сигналів. Варисторні структури можуть бути утворені в мікросхемах.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
	\|	Електронно-дірковий перехід і його властивості. Напівпровідникові діоди

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.168 сек.