Застосування напівпровідників

У сучасній електронній техніці напівпровідникові прилади грають виняткову роль. За останні три десятиліття вони майже повністю|цілком| витіснили електровакуумні прилади.

У будь-якому напівпровідниковому приладі є один або декілька електронно-діркових переходів. Електронно-дірковий перехід (або n–p-переход) – це область контакту двох напівпровідників з різними типами провідності.

У напівпровіднику n-типа основними носіями вільного заряду є електрони: їх концентрація значно перевищує концентрацію дірок (n_n >> n_p). У напівпровіднику p-типа основними носіями є дірки (n_p >> n_n). При контакті двох напівпровідників n- і p-типов починається процес дифузії: дірки з p-области переходять в n-область, а електрони, навпаки, з n-области в p-область. В результаті в n-области поблизу зони контакту зменшується концентрація електронів і виникає позитивно заряджений шар. У p-области зменшується концентрація дірок і виникає негативно заряджений шар. Таким чином, на межі напівпровідників утворюється подвійний електричний шар, електричне поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів і дірок назустріч один одному. Прикордонна область розділу напівпровідників з різними типами провідності (так званий замикаючий шар) зазвичай досягає товщини близько десятків і сотень міжатомних відстаней. Об'ємні заряди цього шару створюють між p- і n-областями замикаючу напругу Uз, приблизно рівну 0,35 В для германієвих n–p-переходов і 0,6 В для кремнієвих.

Якщо напівпровідник з n–p-переходом підключений до джерела струму так, що позитивний полюс джерела сполучений з n-областью, а негативний – з p-областю, то напруженість поля в замикаючому шарі зростає. Дірки в p-области і електрони в n-области зміщуватимуться від n–p-перехода, збільшуючи тим самим концентрації неосновних носіїв в замикаючому шарі. Струм через n–p-переход практично не йде. Напруга, подана на n–p-перехід в цьому випадку називають зворотним. Вельми незначний зворотний струм обумовлений тільки власною провідністю напівпровідникових матеріалів, т. е. наявністю невеликої концентрації вільних електронів в p-области і дірок в n-области.

Якщо n–p-перехід з'єднати з джерелом так, щоб позитивний полюс джерела був сполучений з p-областью, а негативний з n-областью, то напруженість електричного поля в замикаючому шарі зменшуватиметься, що полегшує перехід основних носіїв через контактний шар. Дірки з p-области і електрони з n-області, рухаючись назустріч один одному, перетинатимуть n–p-перехід, створюючи струм в прямому напрямі. Сила струму через n–p-переход в цьому випадку зростатиме при збільшенні напруги джерела.

Напівпровідниковий діод – це пристрій з n–p-переходом (випрямляч).

Напівпровідникові діоди використовуються у випрямлячах для перетворення змінного струму|току| в постійний. Типова вольт-амперна характеристика кремнієвого діода приведена на мал. 6.

Напівпровідникові прилади не з одним, а з двома n–p-переходами називаються транзисторами. Назва походить від поєднання англійських слів: transfer – переносити і resistor – опір. Зазвичай для створення транзисторів використовують германій і кремній. Транзистори бувають двох типів: p–n–p-транзистори і n–p–n-транзистори. Наприклад, германієвий транзистор p–n–p-типа є невеликою пластинкою з германію з донорною домішкою, т. е. з напівпровідника n-типа. У цій пластинці створюються дві області з акцепторною домішкою, т. е. області з дірковою провідністю (мал. 7.). У транзисторі n–p–n-типа основна германієва пластинка володіє провідністю p-типа, а створені на ній дві області – провідністю n-типа (мал. 8.).

Малюнок 7. Транзистор структури p–n–p.

Малюнок 8. Транзистор структури n–p–n.

При замиканні ланцюга емітера дірки – основні носії заряду в емітері – переходять з нього в базу, створюючи в цьому ланцюзі струм Iэ. Але для дірок, що потрапили в базу з емітера, n–p-переход в ланцюзі колектора відкритий. Велика частина дірок захоплюється полем цього переходу і проникає в колектор, створюючи струм Iк. Для того, щоб струм колектора практично дорівнював струму емітера, базу транзистора роблять у вигляді дуже тонкого шару. При зміні струму в ланцюзі емітера змінюється сила струму і в ланцюзі колектора.

Проте, така схема підсилювача на транзисторі є неефективною, оскільки в ній відсутнє посилення сигналу по струму, і через джерела вхідного сигналу протікає весь струм емітера Iе. У реальних схемах підсилювачів на транзисторах джерело змінної напруги включають так, щоб через нього протікав тільки невеликий струм бази

Iб = Iе – Iк.

Малі зміни струму бази викликають значні зміни струму колектора. Посилення по струму в таких схемах може складати декілька сотень.

Інтегральною мікросхемою називають сукупність великого числа взаємозв'язаних елементів – сверхмалых діодів, транзисторів, конденсаторів, резисторів, сполучних проводів, виготовлених в єдиному технологічному процесі на одному кристалі. Мікросхема розміром в 1 см² може містити декілька сотень тисяч мікроелементів.

Застосування|вживання| мікросхем привело до революційних змін в багатьох областях сучасної електронної техніки. Це особливо яскраво виявилося в області електронної обчислювальної техніки.