§ 90. Основные полупроводниковые изделия
Изделия из полупроводниковых материалов называют полупроводниковыми элементами или приборами. По характеру выполняемой ими работы в электротехнических устройствах опи весьма многообразны. К ним в первую очередь относятся полупроводниковые выпрямители (диоды) и усилители (триоды).
Основной частью полупроводниковых выпрямителей являются так называемые р — п-переходы, т. е. контактные соединения Двух полупроводников, из которых один обладает электропроводностью n-типа, а другой электропроводностью p-типа (рис. 171, а).
При отсутствии напряжения на электродах 1 и 2 в полупроводнике n-типа имеется более высокая концентрация свободных электронов, чем в полупроводнике р-типа. В последнем же преобладает концентрация дырок. При плотном контакте этих двух полупроводников (осуществляемом, например, вплавлением одного полупроводника в другой) электроны п-полупроводника будут диффундировать в р-полупроводник, где их недостаточно, а дырки
Рис. 171. Схема образования р— п- перехода в полупроводнике: а — соединение полупроводников п- и р-типов, б — образование двойного электрического слоя на границе двух полупроводников с проводимостями п- и р-типов
р- полупроводника будут диффундировать в n-полупроводник, где их мало. Это движение электронов и дырок навстречу друг другу уменьшит концентрацию электронов в пограничном слое со стороны полупроводника и зарядит его положительно, а в пограничном слое со стороны полупроводника продиффундировавшие сюда электроны из n-полупроводника уменьшат концентрацию дырок и зарядят этот слой отрицательно. Следовательно, еще до подачи к электродам 1 и 2 напряжения на границе между двумя полупроводниками создается двойной электрический слой (рис. 171,6). В результате образования двойного электрического слоя на границе раздела двух полупроводников (р -переход) возникает местное электрическое поле с напряженностью Е0. В данном случае оно направлено слева направо.
Теперь рассмотрим, как будет работать такой полупроводниковый выпрямитель при приложении к его электродам переменного напряжения. В случае когда напряженность Е внешнего источника будет совпадать с напряженностью Е0 местного поля, электроны в полупроводнике n-типа и дырки в полупроводнике p-типа будут
перемещаться от границы р — n-перехода к электродам 1 и 2 (рис. 172, а). В результате этого в р — n-переходе область дырок в n-полупроводнике и область электронов в р-полупроводнике будут расширяться. В результате этого электрическое сопротивление р — n-перехода сильно возрастает, т. е. создается запирающий слой, и ток пропускаться не будет. Фактически будет протекать очень незначительный ток, обусловленный перемещением случайных носителей тока. Такой ток называется обратным током.
В случае когда напряженность В внешнего источника будет направлена против местного поля Е0 (рис. 172,6), местное поле будет ослаблено и электроны в полупроводнике начнут притекать в область р — n-перехода. Одновременно в полупроводнике р-типа дырки будут перемещаться тоже в область р — n-перехода. В результате этого запирающий слой суживается, а его электрическое сопротивление резко уменьшается. При этом р—переход начнет пропускать ток. Этот ток называется прямым Тпр, а само направление тока в выпрямителе называется прямым, или пропускным. Прямой ток Тпр значительно больше обратного тока Тобр» протекающего через р — переход.
Работа полупроводникового выпрямителя иллюстрируется его вольтамперной характеристикой, показанной на рис. 173. Она показывает, что при малых величинах напряжения (до 0,5 В) прямой
Рис. 173. Вольтамперная характеристика полупроводникового выпрямителя
Рис. 172. Схема работы р — п-перехода полупроводникового плоскостного диода, включенного на внешний источник постоянного тока:
а — в обратном направлении, б — в прямом направлении
ток /пр, пропускаемый выпрямителем, достигает сравнительно больших величин (больше 100 ма). При приложении к выпрямителю обратного напряжения (Uобр), когда плюс батареи присоединен к n-полупроводнику, а минус — к р-полупроводнику, полупроводниковый' выпрямитель практически тока не пропускает до величины обратного напряжения примерно 20 В. Только начиная с 20 е обратного напряжения, р — n-переход начинает пропускать очень малые величины тока (микроамперы) обратного тока /0бр. Если же увеличивать обратное напряжение (E/0бр), то обратный ток с некоторого момента начнет возрастать и может достигнуть такой величины, при которой произойдет пробой р — n-перехода (точка а на рис. 173).
В полупроводниковых диодах р — n-переход осуществляется в виде контакта между двумя полупроводниками с разными типами электропроводности или в виде контакта между пластинкой полупроводника и металлическим острием. В первом случае образуется сравнительно большая площадь соприкосновения (контакт) двух полупроводников, и такие диоды называются плоскостными. Во втором случае пластинка полупроводника (2x2 мм) соприкасается с острием металлической проволоки, и такие диоды называются точечными.
На рис. 174 показан схематический разрез плоского германиевого диода. Основой его является пластинка германия 6 с электропроводностью n-типа. На одну из ее поверхностей наносится капелька расплавленного индия . Пластинку помещают в вакуум-камеру, в которой поддерживается температура 500—550° С. При этом атомы индия диффундируют в твердый германий и образуют в нем слой небольшой толщины (около 10~5 см), который обладает электропроводностью р-типа. В результате этого получается контактное соединение двух полупроводников, из которых один обладает электропроводностью n-типа, а другой — электропроводностью р-типа, т. е. образуется р — переход.
Рас. 174. Схематический разрез плоскостного германиевого диода:
1— контактные выводы, 2 — стеклянный изолятор, 3 — металлический корпус, 4 — верхний токосниматель, .5— индий, 6 — германиевая пластинка, 7 — нижний токосниматель
Индий, растекаясь по поверхности германия, создает р—переход на сравнительно большой площади (по сравнению с точечными диодами). В результате этого у плоскостных диодов емкость значительно больше, чем у точечных**. Это ограничивает их область применения в радиотехнике. Однако величина прямого тока и обратного напряжения у плоскостных диодов значительно больше, чем у точечных диодов.
На рис. 175 показаны общий вид, разрез и вольтамперная характеристика германиевого точечного диода. В нем вольфрамовая тонкая проволочка 4 в виде пружины закрепляется в левом фланце. Конец ее заостряется в виде иглы механическим или электролитическим путем. Небольшую шлифованную пластинку 5 германия типа с площадью поверхности 2 мм2 припаивают к металлическому кристаллодержателю 7. Контакт между иглой и пластинкой кристалла осуществляется сваркой прямым током в течение нескольких секунд. При этом площадь контакта получается около 50 мкм2.
Отечественной промышленностью изготовляется несколько марок германиевых точечных диодов с предельно допустимым обратным напряжением от 20 до 100 вис выпрямленным током 1Пр — =8—20 ма. Емкость этих диодов невелика (меньше 1Пф), что позволяет использовать их в установках высокой частоты: до 100 Мгц и выше. Мощность таких диодов 1н-3 вт. Все германиевые диоды весьма заметно изменяют свои параметры в зависимости от температуры. Так, при понижении температуры до —60° С и ниже прямой ток резко уменьшается, а при повышении температуры до
- 70°С и выше обратный ток сильно увеличивается, что может вызвать пробой диода (р— п-перехода) .
Наибольшая плотность тока у германиевых выпрямителей не превосходит 80 а/см2.
Известно, что кремний как полупроводниковый материал может быть использован при значительно больших рабочих температурах, чем германий, т. е. при температуре 130—200° С.
Рис. 175. Германиевый точечный диод:
а — внешний вид, б— разрез диода, В — вольтамперная характеристика; 1 — выводы, 2 и 6 — металлические фланцы, 3 — керамический корпус, 4 — вольфрамовая проволока, 5 — кристалл германия, 7 — кристаллодержатель
Поэтому представляют значительный технический интерес кремниевые диоды. В качестве примера можно остановиться па кремниевом плоскостном диоде, контактный р — n-переход в котором создается сплавлением алюминия с кремнием. Такой диод допускает плотность тока до 200 а/см2. Охлаждение диода достигается с помощью медного радиатора, которым снабжаются эти диоды.
Селеновые выпрямители состоят из соединенных друг с другом выпрямительных селеновых элементов (рис. 176). Основой выпрямительного элемента являются алюминиевая пластина толщиной 0,8 мм, на которой слой кристаллического селена, серы и катодного сплава образуют р — n-переход.
Согласно одному из широко применяемых способов селеновые выпрямительные элементы получают посредством следующих технологических операций. Аморфный селен наносится на алюминиевые листы толщиной 0,8 мм.
Рис. 176. Схема селенового выпрямительного элемента:
1 — изолирующее лаковое кольцо. 2 — катодный сплав, ,3 — запирающий слой, 4— слой кристаллического селена, 5 — алюминиевая пластина
Для лучшего сцепления слоя селена с поверхностью листа он вначале подвергается пескоструйной обработке. С целью уменьшения переходного сопротивления между слоем селена и алюминиевым листом на его поверхность наносится (вакуумным распылением) тонкий слой висмута. Затем на слой висмута наносится слой аморфного селена толщиной 50—60 мкм. Нанесенный слой селена подвергается кристаллизации: сначала при 130°, затем при 218° С. Из алюминиевого листа с закристаллизованным на нем слоем селена вырубаются пластины квадратной или круглой формы (шайбы), которые служат выпрямительными элементами в селеновых выпрямителях.
Чтобы создать на выпрямительных элементах р — и-переход, на слой кристаллического селена наносят тонкий слой серы, а на слой серы распыляют катодный сплав, состоящий из олова и кадмия.
Рис. 177. Часть селенового столбика и его детали:
1 — монтажный болт, 2 — металлическая шайба, 3 — алюминиевая пластина, 4 — слой кристаллического селена, 5 — контактный вывод, 6— пружинящая шайба, 7 — электроизоляционная трубка, 8 — катодное покрытие, 9 — электроизоляционная шайба, 10— гайка
Полученные таким образом выпрямительные элементы подвергаются электрической формовке путем длительного (в течение нескольких часов) приложения постоянного напряжения в запирающем направлении В результате этого происходит реакция между кадмием и серой, т. е. образуется сульфид кадмия. Он является электронным полупроводником, а кристаллический селен — рочным полупроводником. Таким образом получают р — n-переход в выпрямительных селеновых элементах.
- От катодного слоя к селену.
В селеновых выпрямителях отдельные элементы собирают в столбики (рис. 177) и стягивают друг с другом болтом 1. Болт изолирован от металлических пластин 3 электроизоляционными прокладками 9, а также с помощью электроизоляционной трубки 7.
Выпрямительные элементы в столбиках располагаются друг от друга на некотором расстоянии с помощью дистанционных и пружинящих шайб 6. Это обеспечивает наиболее интенсивное их охлаждение. В столбиках выпрямительные элементы могут быть соединены последовательно, параллельно или смешанно в зависимости от назначения выпрямителя.
Отечественной промышленностью выпускается свыше 600 типоразмеров выпрямительных столбиков. Селеновые выпрямители могут работать в интервале температур от —60 до +75° С; срок службы их достигает 10 000 ч и более. Пробой селенового выпрямительного элемента не выводит его из строя, так как место пробоя заполняется аморфным селеном, но при этом пропускная способность выпрямительного элемент, несколько понижается.
