В. Лавр
В случае изоляторов, таких как полиэтилен, валентные электроны прочно связаны с ядром, и лишь единицы из них могут участвовать в переносе электрического заряда. Напротив, проводники, например, медь, содержат множество свободных электронов, которые легко перемещаются даже при температурах выше абсолютного нуля.
Кремний и германий — наиболее распространенные полупроводники. Обе этих элемента являются четырехвалентными; в их атомах находится по четыре электрона на наружной орбите. Структура кристаллов кремния и германия организована благодаря ковалентным связям, которые обеспечивают прочное соединение атомов. Объединяясь, атомы образуют устойчивую решетку, в которой валентные электроны делятся между соседними ядрами.
Британские учёные провели исследование, в котором изучили кристаллическую решётку кремния с добавлением разных примесей.
На рис. 2 изображена решётка кремния, где присутствует примесный атом фосфора. Это создаёт свободный электрон, что способствует проводимости и делает материал полупроводником n-типа. Данный тип полупроводника характеризуется наличием дополнительных электронов, которые усиливают электрическую проводимость.
На рис. 3 показан интересный эффект, возникающий при введении трехвалентных атомов бора в кремний. Атом бора, имея три валентных электрона, может заимствовать электрон от соседнего атома кремния, что приводит к образованию так называемой «дыры» – отсутствия электрона в решётке. Эта дыра может свободно перемещаться, что также участвует в процессе проводимости. При этом, хотя фактически происходят перескоки валентных электронов, результат заключается в передаче дырки от одного атома к другому.
Примеси, подобные атому бора, называют акцепторными, поскольку они способны принимать электроны. Таким образом, проводимость в этом случае обусловлена наличием положительных дырок, что делает такой легированный полупроводник полупроводником р-типа.
Рисунок 1(a) иллюстрирует ковалентные связи в идеальной кристаллической решетке кремния. Однако эта идеальная структура существует лишь при температурах, близких к абсолютному нулю. Когда температура повышается, например, до комнатной, атомы начинают колебаться активнее, и это может привести к разрыву союзов между ними. В результате электроны освобождаются и начинают свободно передвигаться по кристаллу. Свободный электрон оставляет за собой «дырку» — область с отсутствующим отрицательным зарядом, которая может заполниться электроном от соседнего атома. Участок кристаллической решетки, показанный на рис. 1(b), демонстрирует этот процесс.
Свободные электроны делают кремний нервным проводником, хотя и слабо. Подключая кремний к источнику напряжения, мы создаем электрическое поле, которое привлекает свободные электроны к положительному контакту. На отрицательном выводе собираются новые свободные электроны, что дает возможность перемещению через полупроводник. Электроны перескакивают от одной дырки к другой, образуя электрический ток. С повышением температуры возрастает число разорванных связей, а соответственно, увеличивается количество электронов и дырок, что ведет к росту проводимости.
Этот эффект температуры резко контрастирует с поведением металлов. В проводниках, даже при низких температурах, присутствует значительное количество свободных электронов. С ростом температуры атомы начинают более активно колебаться, что затрудняет движение электронов и увеличивает сопротивление. В то время как для полупроводников, при повышении температуры, сопротивление снижается. Чистый полупроводник имеет слабую проводимость, известную как собственная проводимость.
Добавление примесей в полупроводники — это алхимия, где встречаются атомы, отличные по валентности. Такие атомы, как фосфор, приходят в мир кристаллической решётки, не нарушая её гармонию, но внося в неё новые возможности. Когда валентность примеси отличается от валентности материала, проводимость полупроводника расцветает, как весенний цветок.
Например, когда пятивалентный атом фосфора проникает в кристаллическую решётку кремния, он приносит с собой четыре валентных электрона, связываясь с соседями, но пятый электрон, словно бродяга, легко покидает своий дом, свободно передвигаясь по всему кристаллу. Этот свободный электрон берёт на себя роль проводника, существенно увеличивая проводимость.
Рис. 2 иллюстрирует кристаллическую решетку кремния, в которой присутствует примесный атом фосфора. Этот атом, обладая свободным электроном, усиливает проводимость материала, превращая его в полупроводник n-типа.
На рис. 3 демонстрируется эффект введения трехвалентных атомов бора в кристаллическую структуру кремния. Несмотря на наличие только трех валентных электронов, атом бора захватывает дополнительный электрон от одного из соседних атомов кремния. Это приводит к образованию «дырок» — мест, где отсутствует электрон, что способствует проводимости. Таким образом, эта «дырка» перемещается, создавая упрощенный процесс передачи заряда, основанный на перескоках валентных электронов от атома к атому.
На рисунке 3 запечатлена кристаллическая решетка кремния, в недрах которой таится примесный атом бора. Этот незаметный поселенец создает свободную дырку, словно окно, позволяющее электронам бесшумно скользить, что и навевает мысли о проводимости, характерной для полупроводников р-типа.
Носители зарядов в легированных полупроводниках — это истинные волшебники проводимости. Даже чистый полупроводник, словно спящий маг, порой пробуждается благодаря тепловым колебаниям, которые нарушают его ковалентные связи. В материале n-типа светят свободные электроны, пришедшие из мира донорных примесей, но и дырки, возникшие от термического воздействия, тоже не остаются в тени. У р-типа картина схожа, где термические электроны порождают новые возможности.
Компенсация, словно алхимический процесс, воздействует на природу полупроводников, превращая n-тип в p-тип и наоборот. Свободные электроны, стремящиеся заполнить дырки р-типа, исчезают, оставляя за собой новое равновесие. Эта алхимия актуальна в мире транзисторов, где примеси, подобно заклинаниям, проникают в кристаллическую решетку.
На рисунке 4 изображен диод, в центре которого скрывается р-n переход, словно мост между двумя мирами, окаймленный металлическими контактами. Ниже этого перехода раскинулся график, отображающий изменение потенциала, подобно колеблющейся симфонии.
Когда р-n переход впервые обретает жизнь, свободные электроны из области n-типа, как искры, пересекают границу, стремясь заполнить пустоты, созданные в p-области. На этом месте зарождается некомпенсированный положительный заряд, словно солнечный свет, пробивающийся сквозь облака. В области р-типа, где стремятся к уединению дырки, возникает отрицательный заряд, создавая темные тени. Эти противоположные по своей природе заряды образуют потенциальный барьер, защищая хрупкий баланс и в результате устанавливая гармонию.
При подключении внешнего источника напряжения к р-n переходу обедненного слоя возникает игра полярностей: барьер смещается в зависимости от заданного направления. В первом случае, обратное смещение, барьер возрастает, а слой расширяется, словно крепость в ожидании штурма. Во втором—при прямом смещении—барьер снижается, и слой сужается, позволяя электронам и дыркам пересекать его. Обратный ток в этих условиях практически незаметен: он подобен шепоту среди грома, всего лишь 1 нА, и на практике в значительной степени игнорируется.
Прямая и обратная характеристики кремниевого диода демонстрируют эта динамика. При прямом смещении, начиная с напряжения 0.6 В, ток стремительно возрастает, как это показано на графике. Важно отметить, что при данном напряжении кремниевый переход почти не проводит ток, в отличие от германиевых диодов, где пороговое напряжение ниже—всего 0.2 В.
Интересный аспект заключается в лавинном пробое. Хотя при обратном смещении диод мимикрирует изолятор, при повышении напряжения он неожиданно начинает проводить ток. Это явление напоминает лавину: один электрон, набрав достаточную энергию, становится источником новых пар электрон-дырка, что приводит к росту тока. Лавинный пробой потенциально достигает значений от 5 до 1000 В, в зависимости от конструкции.
Зенеровские диоды, названные в честь Карла Зенера, обладают уникальным механизмом пробоя при менее 3 В. Эти устройства, благодаря высокому легированию, обеспечивают стабильность выходного напряжения в источниках питания.
Рис. 6. Прямая и обратная характеристики полупроводникового кремниевого диода.
При нарастании электрической силы прямого смещения, сопротивление перехода неумолимо снижается, словно растапливаемый лед под солнцем, открывая путь для тока. Небольшое увеличение напряжения в прямом направлении способно вызвать мощный поток тока. Например, для маломощных кремниевых диодов, когда напряжение достигает 0, 6 В, ток составляет лишь 1 мА. Однако при 0, 8 В он скачком возрастает до 100 мА. На графике, представленном на рис. 6, наглядно отображены эти прямая и обратная характеристики.
Глядя на график, можно заметить: кремниевый переход начинает пропускать ток лишь при превышении прямого смещения в 0, 5 В, в то время как для германиевых переходов эта граница составляет лишь 0, 2 В. Это поведение диодов вызывает восхищение: ток беспрепятственно течет в одном направлении, в то время как в обратном направлении диод ведет себя как почти идеальный изолятор. Эта уникальная односторонность открывает возможности для применения диодов в таких процессах, как выпрямление, когда переменное напряжение преобразуется в постоянное.
Лавинный пробой
Рис. 7. Характеристика диода, работающего в обратном смещении, с проявлением лавинного пробоя.
В области полупроводников выделяются особые диоды с низким напряжением пробоя, известных как зенеровские, в честь Карла Зенера, который открыл механизм электрического пробоя в 1934 году. Эти устройства, получившие также название стабилитронов, характеризуются высоким уровнем легирования, что способствует значительному накоплению основных носителей. Это позволяет обеднённому слою сохранять свою тонкость даже под воздействием обратного смещения.
При этом градиент потенциала становится настолько выраженным, что пробой происходит при напряжении ниже 3 В. Данная характеристика, представляемая на рис. 7, иллюстрирует важное свойство: падение напряжения на таком диоде в режиме пробоя почти не изменяется даже при существенных колебаниях обратного тока. Именно поэтому стабилитроны зарекомендовали себя как надёжные элементы для стабилизации выходного напряжения в источниках питания.
Зенеровский пробой связан с туннельным эффектом, происходящим при прохождении через потенциальный барьер, и его использование ограничивается диодами с пробоем менее 5 В. При превышении этого порога эти устройства следует называть лавинными диодами.
Говоря о ёмкости перехода и варикапах, можно отметить, что диод в обратном смещении функционирует как миниатюрный конденсатор с типичной ёмкостью 2 пФ для кремниевых образцов. Обеднённый слой выступает как изолирующий диэлектрик между проводящими плитами n- и p-типа. При увеличении обратного смещения ёмкость немного уменьшается из-за расширения обеднённого слоя.
Создаваемые с помощью специального легирования варикапы имеют ёмкость, варьирующуюся от 10 пФ до 2 пФ при увеличении обратного напряжения от 2 В до 30 В. Эти диоды широко применяются в радиоприёмниках и телевизорах для настройки на метровые и дециметровые волны. Устройства с электронным управлением ёмкостью часто представляют собой схемы автоматической подстройки частоты, обеспечивая сохранение настроек на нужную станцию.