3.1. Поняття про напівпровідники

1 липня 1948 у всесвітньовідомій «Нью-йорк таймс» з’являється повідомленя про винахід трьох співробітників компанії «Белл-телефон» Джона Бардіна, Уільяма Шоклі та Уолтера Браттейна. Невеличкий пристій розміром з голівку від англійської булавки був здатен підсилити струм в 50 разів, тим самим значно підвищуючи якість та гучність телефонного сигналу. (Пізніше, у 1956 р., американці отримали Нобілівську премію.) Результатам ціїєї роботи передувала праця багатьох вчених, таких як  Г.Дэви и A. Беккерель, Пирс, Бедекер, Мэй, Герц, О.В. Лосев, А.Ф. Иоффе та ін.., спрямована на вивчення властивостей так званих напівпровідників, які з рештою «завоювали» світ електроніки. Як виявилось напівпровідникові прилади мали ряд переваг над вакуумними лампами, що царювали в той час. Наприклад: відсутність нитки накалювання, малі розміри та вага, висока вібростійкість що значно збільшувало їх тривалість використання порівняно з вакуумними лампами.

Саме ці переваги і пояснюють те, що невеличкий за розмірами винахід того часу, дещо в удосконаленому вигляді, використовуємо ми і до цих пір у багатьох галузях:  авіаційній, космічній, комп’ютерній техніці та електроніці, в металургійній промисловості, машинобудуванні та атомній енергетиці, в нафтохімії, при роботі сучасних електромобілів та світлотехнічному оснащенні.

З чого ж все почалося?!

Якщо проаналізувати таблицю питомих опорів (за кімнатної температури) речовин що гарно проводять струм – провідників, та речовин що не проводять струм  - діелектриків, то можна відшукати велику прогалину між цими двома класами речовин. З наведеної таблички видно, що між провідниками і діелектриками існує прірва в 17 порядків. Що ж за речовини потрапляють в цей діапазон? Це абсолютна більшість існуючих речовин, що складають приблизно 4/5 від об’єму земної кори: це більшість мінералів, різноманітні окиси, сульфіди, теллуріди та інші хімічні з’єднання.  Ці речовини отримали назву напівпровідників, хоча вони так  само заслуговують і на назву «напівізолятори». В таблиці Мендєлєєва напівпровідникові елементи знаходяться в її середині. 

3.2. Залежність струму в напівпровідниках від температури та освітленості

При     вивченні     властивостей        напівпровідників увагу привертає не звична, наприклад для металів, залежність опору від температури та освітленості. Експериментально досліджено, що зі       збільшенням        температури        або освітленості напівпровідника його провідність збільшується, тобто опір – зменшується. Причому залежність не є лінійною!

Причиною такої залежності є особливості внутрішньої будови напівпровідників.

3.3. Власна провідність напівпровідників

Розглянемо як приклад типовий представник напівпровідників – германій. В табличці Мендєлєєва він знаходиться в четвертій групі, а отже має валентність 4. Це означає що на зовнішній оболонці атома обертаються 4 електрони. Атоми германію пов’язані між собою за рахунок ковалентного зв’язку, тобто зв’язку, що здійснюється за рахунок електронних пар. Кожен атом германію «позичає» сусідньому атому один свій електрон і натомість користується електроном свого сусіда. Оскільки електрони, що перебувають  на зовнішній орбіті, притягаються одночасно двома атомами, то їх зв’язок з ними стає слабшим, і навіть невеликої енергії   теплового   руху    достатньо   для   того,  

щоб вони зруйнували цей зв’язок,                                        

залишивши свою орбіту. Електрон, що відірвався від свого атому залишає на своєму місці нестачу від’ємного заряду. Таку нестачу вважають повноправним точковим додатним зарядом який називають діркою. 

Саме процес утворення дірок та вільних електронів пояснює зменшення опору напівпровідника зі збільшенням температури або освітленості. Зі збільшенням температури зростає енергія теплового руху електронів, а отже зростає кількість пар електрон-дірка в напівпровіднику. Збільшення кількості носіїв заряду призводить до збільшення провідності та зменшення опору.

Розглянемо як себе поводитимуть електрони та дірки при внесенні напівпровідника в однорідне електричне поле.

Електрон, що став вільним, рухатиметься під дією поля в напрямку протилежному лініям напруженості електричного поля (від «мінуса» до «плюса»). Зустрічаючи на своєму шляху дірки, електрон займатиме вакантне місце, рекомбінуючи з дірками. Але під дією електричного поля і ті електрони, що ще приймають участь в ковалентному зв’язку, почнуть переміщатися перестрибуючи в найближчі дірки та залишаючи нові дірки на своєму місці. Таким чином спостерігаючи за поведінкою електрона і дірки, можна зробити висновок, що електрони і дірки є рівноправними носіями заряду в напівпровіднику. Дірки переміщаються вздовж ліній напруженості електричного поля, а електрони в протилежному напрямку. Тому механізм провідності чистого напівпровідника називають електронно-дірковим.

3.4. Домішкова провідність. Акцепторні та донорні домішки

Значно змінює властивості напівпровідника внесення у нього домішки іншої валентності.

При внесенні в напівпровідник домішки з більшою валентністю, наприклад до чотиривалентного германію можна додати п’ятивалентний миш’як, атом домішки вступає в ковалентний зв’язок з чотирма своїми сусідами, «позичаючи» їм свої чотири електрони. Однак на зовнішній орбіті арсену п’ять електронів, тому один з них, залишаючись не задіяним, відривається від свого атому і стає вільним носієм

заряду. Таким чином концентрація вільних електронів стає більшою за концентрацію дірок. Тому основними носіями заряду в такому напівпровіднику є саме електрони.

Домішку, що має валентність більшу, ніж основний напівпровідник називають донорною або донором. А утворений таким чином напівпровідник – напівпровідником nтипу, оскільки основні носії заряду в ньому негативні.

При внесенні в напівпровідник домішки з меншою валентністю, наприклад до того ж германію можна додати тривалентний індій, атом домішки вступає в ковалентний зв’язок з своїми сусідами, «позичаючи» їм свої три електрони. Тому одному з сусідів не вистачить електрона, і на місці  не реалізованого зв’язку виникає дірка. Тобто в такому випадку концентрація дірок стає більшою за концентрацію вільних електронів. Тому основними носіями заряду в напівпровіднику з домішкою меншої валентності є дірки.

Домішку, що має валентність меншу, ніж основний напівпровідник називають акцепторною або акцептором. А утворений таким чином напівпровідник –

напівпровідником р-типу, оскільки основні носії заряду в ньому позитивні

3.5. Електронно-дірковий перехід

Неочікуване явище було виявлене на межі контакту двох напівпровідників різних типів. Область контакту отримала назву електронно-дірковий або р-n перехід. Розглянемо, що відбувається при контакті напівпровідників різних типів. Електрони, що є основними носіями заряду в напівпровіднику n-типу притягуються дірками з напівпровідника р-типу. Починається процес дифузії: дірки з p-області переходять в nобласть, а електрони, навпаки, через n-області в p-область. У результаті в n-області поблизу зони контакту зменшується концентрація електронів і виникає позитивно заряджений шар. У p-області зменшується концентрація дірок і виникає негативно заряджений шар. Таким чином, на кордоні напівпровідників утворюється подвійний електричний шар, поле якого перешкоджає процесу дифузії електронів і дірок назустріч один одному. Цей шар є збідненим на основні носії заряду, тому володіє малою провідністю та значним опором. Його називають електронно - дірковим   або   р-n

переходом.    Прикордонна     область     розділу                                        

 напівпровідників з різними типами провідності (так званий замикаючий шар) зазвичай завтовшки  порядку десятків і сотень міжатомних відстаней. Об’ємні заряди цього шару створюють між p- і n-областями замикаючу напруга U_з, приблизно рівну 0,35 В для германієвих p-n переходів і 0,6 В для кремнієвих.

3.6. Види напівпровідникових пристроїв та їх використання Електронно-дірковий         перехід       має    дивовижну властивість односторонньої провідності. Цю здатність використовують у напівпровідниковому діоді. Розглянемо його принцип роботи.

Якщо р-n перехід з’єднати з джерелом так, щоб позитивний полюс джерела був підключений до p-області, а негативний до n-області, то електричне поле буде надавати основним носіям заряду додаткової енергій, за рахунок якої вони здатні проникати в замикаючий шар, зменшуючи його товщину. А в наслідок зменшення товщини р-n переходу, зменшується його опір, що полегшує перехід основних носіїв через контактний шар. Дірки з p-області і електрони з n-області, рухаючись назустріч один одному, будуть перетинати р-n перехід, створюючи струм в прямому напрямі. Сила струму через р-n перехід в цьому випадку буде зростати при збільшенні напруги джерела, що відображено на вольт-амперній характеристиці діоду. 

Якщо напівпровідник з p-n переходом підключений до джерела струму так, що позитивний полюс джерела з’єднаний з n-областю, а негативний - з p-областю, то дірки в p-області і електрони в n-області будуть зміщуватися від р-n переходу, зменшуючи концентрацію основних носіїв заряду в замикаючому шарі. р-n перехід розширюється збільшуючи свій опір. Струм через р-n перехід практично не йде. Напругу, подану на р-n перехід в цьому випадку називають зворотною. Незначний зворотний струм обумовлений тільки власною провідністю напівпровідникових матеріалів, тобто наявністю в невеликій концентрації вільних електронів в p-області і дірок в n-області.

Напівпровідникові діоди виготовляють з кристалів кремнію або германію. При їх виготовленні в кристал c одним типом провідності вплавляють домішку, що забезпечує інший тип провідності.

На наступному малюнку подано в масштабі вольт-амперна характеристика кремнієвого діода. (На графіку використані різні шкали для позитивних і негативних напруг)

Напівпровідникові діоди використовуються в випрямлячах для перетворення змінного струму в постійний. На рисунках зображено схему підключення одно- та двонапівперіодного випрямлячів змінного струму.

За рахунок односторонньої провідності діодів струм через споживач проходить не змінюючи свого напряму. Для того щоб згладити пульсацію величини вирівняного струму використовують конденсатори (прилади призначені для накопичення заряду).

Широко використовуються не лише напівпровідникові прилади дія яких ґрунтується    на  односторонній    провідності  р-n переходу,  а   й    прилади    де  використовується залежність опору напівпровідника від температури та освітленості.

Прикладом такого приладу може слугувати термореле. Схема якого наведена на малюнку.

Це реле може бути використано, зокрема, для сигналізації про те, що в електропечі досягнута задана температура. Коли температура в печі, в яку поміщають термістор (напівпровідниковий резистор, електричний опір якого залежить від температури), низька, по колу проходить слабкий струм, недостатній для спрацьовування електромагнітного реле. Але як тільки температура в печі досягне необхідного значення, сила струму в ланцюзі зросте до такої величини, при якій реле спрацьовує. При цьому замикається контакт, що включає коло виконання, яке містить сигналізатор - дзвінок або лампу.

Аналогічну будову має і фотореле в основі якого лежить залежність опору фотоелемента від освітленості.

Термістори використовують також для створення дуже чутливих термометрів. Завдяки високому питомому опору розмір термістора може бути дуже малий (кілька міліметрів або навіть десятих часток його). Тому він швидко приймає температуру навколишнього середовища і може бути застосований для вимірювання температури невеликих ділянок людського тіла, листя рослин і т.д.

Чутливість термоопорів дуже велика і дозволяє вимірювати температурні зміни на одну мільіонну частку градуса. Напівпровідникові термометри випускаються для вимірювання температур в діапазоні від 1 до 600 К. У зв'язку з тим що вони не відповідають вимозі відтворюваності, кожен термометр має індивідуальну градуювання, що є їх основним недоліком. 

Ще одне надзвичайно популярне нині застосування напівпровідникових приладів – світлодіоди. Світлодіо д — напівпровідниковий пристрій, що випромінює світло, при пропусканні через нього електричного струму (ефект, відомий як електролюмінесценція). Випромінюване світло традиційних світлодіодів лежить у вузькій ділянці спектру, а його колір залежить від хімічного складу використаного у світлодіоді напівпровідника Сучасні світлодіоди можуть випромінювати світло від інфрачервоної ділянки спектру до близької до ультрафіолету. Існують методи розширення смуги випромінювання і створення білих світлодіодів. На відміну від ламп розжарювання, які випромінюють світловий потік широкого спектру, рівномірно у всіх напрямках, звичайні світлодіоди випромінюють світло певної довжини хвилі і в певному напрямі.

Як і в нормальному напівпровідниковому діоді, в світлодіоді є p-n перехід. При пропусканні електричного струму в прямому напрямку, носії заряду — електрони і дірки, рекомбінують, з випромінюванням енергії, яку наше око сприймає як світлову.

Не всі напівпровідникові матеріали ефективно випускають світло, при рекомбінації. Варіюючи склад напівпровідників, можна створювати світлодіоди, що дають ультрафіолетове та інфрачервоне випромінювання.

Ефективність світлодіодів найбільше проявляється там, де потрібно генерувати потужні кольорові світлові потоки (світлові сигнали). Світло від лампи розжарювання доводиться пропускати через спеціальні оптичні фільтри, що виділяють певну частину спектру (червону, синю, зелену). 90% енергії світлового потоку, від лампи рожарювання, втрачається, при проходженні світла через світлофільтр. Усі ж 100% випромінювання світлодіода є забарвленим світлом і в застосуванні світлофільтра немає потреби. Більше того, близько 80-90% споживаної потужності лампи розжарювання, витрачається на її нагрів, — для досягнення потрібної колірної температури, на яку вони розраховані. 

Світлодіодні лампи споживають від 3% до 60% потужності, необхідної для звичайних ламп розжарювання, аналогічної яскравості. Удароміцна конструкція твердотілих випромінювачів (світлодіодів), дозволяє використовувати світлодіодні

лампи при підвищених вібраціях. Світлодіоди не бояться частих вмикань і вимикань. Термін служби світлодіодної лампи — більше 100 000 годин (більше 11 років). 

Використовуючи світлодіоди можна одержати світло з високою насиченістю кольору. Світлодіоди застосовують у індикаційній техніці, при побудові світлодіодних джерел світла (інформаційні табло, світлофори, ліхтарики, гірлянди тощо).