Напівпровідникові матеріали

Розширюється  також застосування аморфних напівпровідників, зокрема гідрогенізованого кремнію (насиченого воднем), котрий позначають символом α-Si, та плівок інших гідрогенізованих напівпровідників :Ge, GaAs, SiC, Si-Ge, Si-Sn та інші. Такі матеріали поводять себе подібно до класичних: легуючи, можна змінювати в широких межах тип їх електропровідності та значення питомого електричного опору. Використовуючи відносно просту технологію, на основі α-Si можна отримати плівки сполук кремнію з шириною забороненої зони від 1.1 до 5,5 еВ.

Подальше  освоєння інфрачервоного, видимого та ультрафіолетового діапазонів сприяло дослідженню та застосуванню нових матеріалів. Останнім часом все більшого значення набуває новий клас потрійних та четверних сполук, а також твердих розчинів на їх основі: CdHgTe (KPT), CaZnTe, PbSeTe, CuInSe, CuGaSе2 ,AlGaN, AlInGaN, GaAlAs-GaAs, GaInAs-AlInAs, GaInAsP-InP та ін.

Зокрема КРТ вважається найперспективнішим матеріалом для виготовлення інфрачервоних приймачів, які переважають за чутливістю і здатні працювати з термоелектричним охолодженням (Т≈ 200К). На основі КРТ промислово випускаються багатоелементні фотоприймачі, що застосовуються для зчитування оптичної інформації.

Один  з головних напрямів розвитку електроніки-мікромініатюризація, пов’язана зі зменшенням габаритів електронної апаратури з одночасним збереженням і розширенням її функціональних можливостей. В свою чергу , сьогодні можна виділити два напрями розвитку мікроелектроніки: просторову інтеграцію – створення великих та надвеликих інтегральних схем з високим ступенем інтеграції та функціональну інтеграцію – суміщення кількох функцій в одному елементі структури мікросхем. До поняття “мікроелектроніка” додаються нові: “субмікронна” електроніка (мінімальний розмір активних елементів 0,75-0,1мкм) та “наноелектроніка” (мінімальний розмір активних елементів менше 0,1 мкм)

Перехід електроніки в нанометричну область  ледве намітився, і супермініатюризація робить лише перші кроки. Але провідні фірми і лабораторії вже почали справжню гонку, на дослідження в цій галузі витрачаються значні кошти.

Зменшення мінімального розміру вимагає використання не лише складних технологічних рішень, а й нових матеріалів. Надзвичайно перспективною для використання в субмініатюрній електроніці вважається відкрита нещодавно модифікація вуглецю С60, яку називають “фулерен” С60. Цей термін пов’язаний з іменем американського архітектора та інженера Фуллера, який розробляв легкі і міцні архітектурні конструкції із стандартних багатокутових елементів.

Ця модифікація  вуглецю була відкрита в 1985 році при  вивченні продуктів випаровування  графіту під дією потужного сфокусованого  лазерного випромінювання, в яких крім молекул С60 були виявлені молекули С70, С50, С32, С28, С24 та інші. За відкриття фулеренів Роберт Кел, Гарольд Крото та Річард Смоллі були удостоєні Нобелівської премії з хімії за1996 рік.

Отже, фулерени – це вуглецеві багатоатомні молекули із загальною формулою Сn (n –парне число), які мають конфігурацію випуклого замкненого багатогранника. З-поміж усіх інших молекул С60 має найбільш симетричну геометричну форму (рис. 3.7). Молекулі С60 властива велика кількість коливальних та обертових мод, які проявляються у відповідних спектрах.

Хімічні сполуки на основі фулеренів називаються  фулеридами, наприклад, С60М (М=Na, K, Pb, Cs та ін.), про які ми вже згадували (р. 2.3.2.). Фулерени в твердій фазі (кристали, тонкі плівки, кераміки) називаються фулеритами. Технологія одержання фулеренів полягає в переробці графіту в фулерен методом лазерного або електродугового випаровування в атмосфері інертного газу.

Дослідження фулериту С60 виявили, що він належить до молекулярних кристалів, у яких ковалентний зв’язок між атомами вуглецю у кожній молекулі С60 значно сильніший від міжмолекулярного ван-дер-ваальсівського типу. Температура плавлення кристалу С60 близька до 530 К, тобто значно нижча, ніж графіту та алмазу. В такому кристалі молекули С60 зберігають свою індивідуальність. Фулерит С60 є напівпровідником з шириною забороненої зони ∆W =1,55 eB. Легуванням в ньому можна створити p-n переходи, і на цій основі виготовляти фулерен -транзистори. Велике зацікавлення викликають можливості застосування в електронній техніці фулеренових нанотрубок. Сьогодні вдається синтезувати трубки діаметром 2 – 20 нм і довжиною до 0.01 мм. Дослідження тривають.

Типи  напівпровідникових приладів.

Двохелектродна  лампа – діод – це напівпровідниковий пристрій з двома електродами, що поміщені у вакуумний балон.Тиск у балоні не повинен бути вищим за 10-6 – 10-7 мм. рт. ст. Він проводить струм лише у одному напрямку.

Принцип дії діода : позитивний полюс джерела  напруги приєднуєть-ся до анода, а  негативний – до катода. Під дією позитивного електрично-го поля анода  електрони, випромінені катодом, направляються до анода.

У випадку  зміни полярності електрони тормозяться  електричним полем повертаються до катоду. Струм через анод проходити не буде. Таким чином, важливішою властивістю двохелектродної лампи є її одно-стороння провідність, тому діод використовують як випрямлювач елек-тричного струму(мал. ).

Схема включення діода показана на малюнку  № . Вона складається з двох електричних  кіл. В основне, тобто анодне коло, включені послідов-но джерело напруги, дільниця анод – катод і споживач випрямленого струму у вигляді навантаження Rн. В допоміжне коло, тобто коло розжа-рювання катоду, включені послідовно джерело напруги розжарювання Uрж і спіраль розжарювання. Батарея розжарювання Uрж нагріває катод до високої температури, потрібної для термоемісії електронів з катоду.

В цій  схемі впродовж позитивного півперіоду анод заряджений пози-тивно відносно катоду. При цьому режимі роботи в просторі між анодом і катодом багато електронів, тому електричний опір між електродами відносно малий.(150-1500 Ом). При негативному півперіоді електрони, переправлені з катоду, не можуть попасти на анод, бо негативне елек-тричне поле аноду відштовхує електрони назад на катод. Між катодом і анодом нема електронів, тому електричний опір між електродами дуже малий(десятки МОм).

Таким чином, діод працює як випрямляч. На його анод почергово подається змінна напруга обох полярностей, а струм  і випрямлена напру-га на навантаженні з’являється лише при позитивній напрузі на аноді.

Напівпровідниковий  діод – це є напівпровідник, одна частина якого містить донорні домішки (і тому є напівпровідником n-типу), а друга – акцепторні домішки (і тому є напівпровідником p-типу). Від двохелек-тродної лампи його відрізняє те, що у ньому вільні носії заряду утворю-ються при додаванні домішки, донорної чи акцепторної, і потреба у дже-релі напруги для розжарювання катоду відпадає. У складних схемах зекономлена внаслідок цього енергія буває досить значною. До того ж, вони компактніші за лампові. Зазначені переваги напівпровідникових приладів дозволяють використовувати їх на штучних супутниках Землі, космічних кораблях та ЕОМ. Найчастіше напівпровідникові діоди виробляють з германію, селену.

Принцип роботи напівпровідникового діоду : в поверхню напівпро-відника n-типу вплавляють акцепторну домішку(наприклад, індій). Ство-рюється p-n-перехід там, де атоми індію змішалися з атомами германію. Там, де цільний германій, у напівпровіднику катод, а там, де цільний індій – анод(мал. ).

На аноді  багато дірок, бо там переважає діркова  провідність, а на катоді – електронів, бо там переважає електронна провідність. При під’єднанні катода до мінуса, а анода – до плюса джерела напруги електрони будуть переходити від мінуса до плюса, а дірки – навпаки. І струм при такому під’єднанні буде відносно великим, бо заряд будуть передавати основні носії заряду, ті, яких більше на електроді(частині напівпровідника). При інакшому під’єднанні (напрямі струму) заряд будуть переносити неосновні носії, яких менше, тому струм буде порів-няно малий. Такий діод також випрямлює струм.

Щоб запобігти  шкідливим впливам повітря, світла і т. д., напівпро-відниковий діод вміщують у герметичний корпус(мал. ).

Трьохелектродна лампа – тріод – називають електронний прилад, що складається з анода, катода і металічної сітки. Ці електроди введені в скляний чи металічний вакуумний балон. Сітка розташована між като-дом і анодом. По суті, це той самий ламповий діод з сіткою посередині. Так як сітка розташована ближче до катоду, ніж анод, то електричне поле сітки, створюєме сітковою напругою, сильніше впливає на анодний струм, ніж електричне поле, створюєме анодною напругою. Схема вклю-чення показана на малюнку . Електричне поле аноду слабо проникає до катоду, так як сітка екранує катод від цього поля. Таким чином, зміна сіткової напруги сильніше впливає на анодний струм, ніж такі самі зміни анодної напруги.

Сіткове керування зручне тим, що необхідна  для керуванням анодного струму потужність дуже мала. В електроніці часто на сітку лампи до опору R, рівному 1 МОм, підводиться напруга вхідного сигна-лу 1 мВ. При цьому від джерела вхідного сигналу відбирається потуж-ність

P = U2/R = (10-3)2:106=10-12

тобто одна мільйонна від одної мільйонної долі Ватта, що доводить високу чутливість тріода.

Тріоди  використовувалися для підсилення струму, напруги, потуж-ності і генерування електричних коливань в різноманітних схемах елек-троніки і автоматики. Їх переваги втому, що вони мають постійний кое-фіцієнт посилення і завдяки простоті будови надійні у роботі. А недоліки в тому, що цей коєфіцієнт посилення в них невеликий, відстань між сіткою і анодом велика. До того ж , зявилися компактніші прилади з такими ж самими властивостями, наприклад, транзистори.

Транзистор –це напівпровідниковий прилад, що дозволяє управіління струмом, що протікає через нього, за допомогою прикладеної до додат-кового електрода напруги.Зазвичай транзистори застосовуються в під-силювачах і логічних електронних схемах. Розрізняють біполярні і по-льові транзистори.

В біполярному  транзисторі носії заряду рухаються  від емітера через тонку базу до колектора. База відділена від емітора й колектора p-n переходами. Струм протікає через транзистор лише тоді, коли носії заряду інжектуються в базу через p-n перехід. В базі вони є неосновними носіями заряду й легко проникають через p-n перехід між базою й колектором, прискорюючись при цьому. В самій базі носії заряду рухаються за рахунок дифузійного механізму, тож база повинна бути досить тонкою.Принцип дії польового транзистора польвому тран-зисторі струм протікає від витоку до стоку через канал під затвором. Прикладена до затвору напруга збільшує чи зменшує ширину області збіднення, а тим самим ширину каналу, контролюючи струм.

Тетро́д — електровакуумна лампа, що має чотири електроди: катод, керуючу сітку, екрануючу сітку та анод.Екрануюча сітка розміщується між анодом і керуючою сіткою і виконується у вигляді густої спіралі, що оточує керуючу сітку.Матеріалом для виготовлення сітки є нікель, молібден, їх сплави, а також тантал та вольфрам. Принцип роботи : у тріоді між катодом та сіткою утворюється об'ємний заряд, який знижує підсилення, особ-ливо на низьких напругах анода. Екрануюча сітка нейтралізує об'ємний заряд та підвищує підсилення лампи. На екрану-ючу сітку подається постійна позитивна відносно катода напруга, яка складає певну частину від анодної напруги залежно від призначення тетрода.У електронній апаратурі тетроди в основному застосовуються як потужні генераторні лампи.

Пентод – [від пента... і (електр) од] – електронна лампа з п’ятьма електродами (катод, анод і 3 сітки). Застосовують у схемах генерування й підсилення електричних коливань. Принцип роботи : перша сітка – керувальна, на неї поступає вхідний сигнал. Друга сітка – екранна, пра-цює при позитивному постійному зміщенні напруги другої сітки, тому через неї протікає струм. Третя сітка – протидинатронна, ця сітка під’єднуться до катоду, потенціал котрого рахується рівним нулю,бо всі напруги в лампі розраховуються відносно катоду. Електрони, вибиті з аноду, не можуть попасти на екрану сітку через низький потенціал третьої сітки, тож вони повертаються на анод.Протидинатронна сітка робиться рідкою і має малий статичний коефіцієнт. Параметри пентоду трохи ліпші, ніж у тріода і тетрода. 

Термістори є в значній мірі нелінійними приладами і найчастіше мають параметри з великим розмахом. Саме тому багато хто, навіть досвідчені інженери і розроблювачі схем випробують незручності при роботі з цими приладами. Однак, познайо-мивши ближче з цими при-строями, можна бачити, що термістори насправді є цілком простими пристроями.Власне кажучи термістори явля-ють собою напівпровідни-кову кераміку. Вони виготовляються на основі порошків окислів мета-лів (звичайно окислів нікелю і марганцю), іноді з добавкою невеликої кількості інших окислів. Порошкоподібні окисли змішуються з водою і різними зв'язувальними речовинами для одер-жання рідкого тіста, яко-му надається необхідна форма і яке обпікається при температурах по-над 1000 оС. Приварюється провідне металеве покриття (звичайно сріб-не), і приєднуються виводи. Закінчений термістор звичайно покрива-ється ебоксидною смолою чи склом полягає в який-небудь інший кор-пус. Термістори мають вид дисків і шайб діаметром від 2.5 до приблиз-но 25.5 мм, форму стрижнів різних розмірів. Деякі термістори спочатку виготовляються у виді великих пластин, а потім ріжуться на квадрати. Дуже маленькі бусинкові термістори виготовляються шляхом безпосе-реднього випалювання краплі тіста на двох виводах з тугоплавкого ти-танового сплаву з наступним опусканням термістора в скло з метою одержання покриття.