Основные элементы аналоговой электроники

Понятие полупроводниковых материалов

К полупроводникам относят все вещества, проводимость которых много проводимости металлов, но лучше изоляционных материалов (диэлектриков). К полупроводникам относить вещества, которые при комнатной температуре имеют удельную проводимость от 10^-10 до 10⁴ (Ом см)^-1. Эта проводимость зависит вещества, количества инородной примеси, от внешних условий (температуры, освещения, облучения ядерными частицами, электрического и магнитного полей).

Известны простые полупроводниковые материалы: алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово — Sn. К ним же относятся органические и неорганические соединения: арсенид галлия Ga As, антимонид индия In Sb, фосфид индия In P, карбид кремния Si, бензол, нафталин, нафтацен и т. д. Широкое применение нашли элементы четвертой группы периодической системы Менделева: Ge, кремний Si.

Собственная проводимость полупроводников

У германия Ge и кремния Si кристаллическая решетка тетраидрообразна. В связи с этим каждый атом находится в близком соседстве с четырьмя атомами (рис. 1.1). Атом связан с четырьмя соседними атомами ковалентными связями. Ковалентная связь — общая орбита двух атомов, на которой вращаются два электрона, расположенных на противоположных концах диаметра орбиты. Заполняются орбиты электронами от первого и второго атомов. В химически чистом полупроводнике все ковалентные связи заполнены и при температуре абсолютного нуля, в отличие от металлов, у полупроводников отсутствуют свободные носители зарядов. С увеличением температуры окружающей среды часть атомов возбуждается и, разрывая ковалентную связь, переходит в зону проводимости, создавая собственную электронную проводимость полупроводника. При этом в полупроводнике возникает незаполненная ковалентная связь, называемая дыркой, которая обуславливает дырочную проводимость полупроводника. Этот процесс получил имя «генерация носителей». Такая связь всегда восстанавливается, захватывая электрон соседнего возбужденного атома (процесс рекомбинации). Создается видимость перемещения положительного заряда в кристалле. Таким образом, в чистом полупроводнике, в отличие от металла, имеется электронная (negative — отрицательная) и дырочная (positive — положительная) проводимости.

Процесс генерации электронно-дырочных пар может происходить не только под воздействием тепла, но и за счет любых процессов, способных сообщить электрону энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи.

Процесс генерации всегда сопровождается обратным процессом — рекомбинацией. При рекомбинации ковалентные связи восстанавливаются и атомы полупроводника становятся нейтральными.

В результате при постоянстве внешних условий вполупроводнике наступает равновесие, при котором число генерируемых пар носителей заряда равно числу рекомбинирующих пар.

В чистом полупроводнике на образование пары носителей зарядов требуется затратить значительное количество энергии, потому его проводимость даже при комнатной температуре весьма мала. По этой причине чистый полупроводник для передачи тока не применяют. Как изолятор он тоже не годится, так как его изоляционные свойства намного хуже свойств диэлектриков.