37. Materia skondensowana

37.4 Zastosowania półprzewodników

Termistor

  W miarę wzrostu temperatury obserwujemy szybki wzrost przewodności półprzewodników związany z termicznym wzbudzeniami elektronów walencyjnych, które stają się elektronami przewodnictwa.

Przykładowo, przewodność czystego krzemu zwiększa się aż dwukrotnie przy wzroście temperatury od 0° C do 10° C. Dlatego czysty krzem może być stosowany w czułych miernikach temperatury. Taki przyrząd półprzewodnikowy do pomiaru temperatury jest nazywany termistorem .

Złącze p - n

  Jeżeli półprzewodniki typu n i typu p zostaną ze sobą zetknięte to część elektronów z obszaru typu n (nadmiar elektronów) będzie przepływała do obszaru typu p, a dziury będą przepływały z obszaru typu p (nadmiar dziur) do obszaru typu n. W wyniku tego obszar p naładuje się ujemnie, a obszar typu n dodatnio. Powstaje, pokazana na rysunku 37.8, kontaktowa różnica potencjałów związana z przestrzennym rozkładem ładunku.


 Rys. 37.8. Potencjał na granicy złącza p - n

Jeżeli do takiego złącza p - n przyłożymy zewnętrzny potencjał to wielkość prądu płynącego przez złącze zależy od kierunku i wartości tego napięcia. Jeżeli przyłożymy potencjał dodatni V (napięcie przewodzenia) do półprzewodnika typu p to zmniejszymy różnicę potencjału na złączu p - n (do wartości V – V0). Przez złącze popłynie wówczas duży prąd tak jak pokazano na rysunku 37.9. Natomiast przyłożenie ujemnego potencjału (napięcie zaporowe) do obszaru typu p powiększa różnicę potencjałów na złączu (do wartości V + V0) i wartość prądu przez złącze jest bardzo mała (praktycznie równa zeru).


 Rys. 37.9 Zależność prądu płynącego przez złącze p – n od zewnętrznego napięcia V

To urządzenie jest nazywane diodą p - n. Zauważmy, że ta dioda nie spełnia prawa Ohma. Natężenie płynącego prądu nie jest wprost proporcjonalne do przyłożonego napięcia jak w przypadku metali. Mówimy, że dioda jest elementem nieliniowym .

Diody wykorzystuje się do prostowania napięcia przemiennego oraz w detektorach radioodbiorników o modulacji amplitudowej.

Baterie słoneczne

  Jeżeli oświetlimy obszar przejściowy złącza p - n to elektron walencyjny pochłaniając foton zostanie wzbudzony do stanu przewodnictwa (tak samo jak energią cieplną). Pochłonięty foton kreuje parę elektron - dziura. Powstałe dziury są wciągane do obszaru p, a elektrony do obszaru n. W obwodzie zawierającym złącze p - n płynie prąd. W ten sposób można zamienić energię światła bezpośrednio na energię elektryczną.

Tranzystor

  Urządzeniem, które spowodowało prawdziwą rewolucję techniczną jest niewątpliwie tranzystor . Schemat tranzystora pnp jest pokazany na rysunku 37.10a, a rozkład potencjału wewnątrz tranzystora na rysunku 37.10b.

 Rys. 37.10 a) Schemat tranzystora; b) Rozkładu potencjału wewnątrz tranzystora

Jak widać tranzystor jest diodą, do której dołączono dodatkowy obszar p (kolektor ). Do „diody” jest przyłożone napięcie w kierunku przewodzenia więc płynie duży prąd (dziurowy) z emitera do bazy .

Baza jest na tyle cienka, że większość dziur przechodzi (dyfunduje) do kolektora, a tylko niewielka część (około 1%) wypływa z bazy (Ibe). Pozostały prąd (99%) wypływa przez kolektor. Jak widać na rysunku 37.10b kolektor jest na bardziej ujemnym potencjale niż baza, aby dodatnie dziury łatwiej mogły do niego przechodzić.

Stosunek prądu kolektora do prądu bazy nazywamy współczynnikiem wzmocnienia prądu . W typowych tranzystorach β = 100. Oznacza to, że jeżeli na wejściu tranzystora prąd Ibe jest sygnałem zmiennym o danej charakterystyce to na wyjściu tranzystora otrzymamy prąd Ike o takiej samej charakterystyce ale 100 razy silniejszy.

Charakterystyki tranzystorów npn są takie same z tym, że nośnikami większościowymi ładunku są elektrony, a nie dziury.

Istnieje jeszcze wiele innych urządzeń półprzewodnikowych mających szerokie zastosowania. Z konieczności ograniczymy się tylko do wymienienia najważniejszych takich jak układy scalone dużej skali integracji, diody tunelowe, tyrystory, tranzystory polowe, lasery półprzewodnikowe.