1.1.9. Puslaidininkiniai rezistoriai

Puslaidininkiniai rezistoriai yra gausi grupė puslaidininkių prietaisų, kurių veikimo principas pagrįstas puslaidininkių savybe keisti varža kai veikia temperatūra, elektromagnetiniai spinduliai, elektros įtampa ir kiti veiksniai.

Prie labiausiai paplitusių puslaidininkinių rezistorių priskiriami:

1.                  termorezistoriai-prietaisai, kurių varža gerokai kinta ,kintant temperatūrai ;

2.                  fotorezistoriai-prietaisai, kurių veikimas pagrįstas foto rezistyviniu efektu, t.y. puslaikininkės medžiagos varžos kitimu ,veikiant elektromagnetiniams spinduliams;

3.                  varistoriai-prietaisas, kurių veikimas pagrįstas puslaidininkinės varžos mažėjimo, didėjant prijungtai įtampai, efektu;

  Nagrinėjant šiuos prietaisus ,būtina žinoti ,atkreipti dėmesį į du esmingiausius jų darbo ypatumus:

1)                  elektrinių charakteristikų ir parametrų priklausomybę nuo neelektrinių išorinių veiksnių (termorezistorių ir fotorezistorių);

2)                  ryškų voltamperinių charakteristikų netiesiškumą (ypač termorezistorių ir varistorių). Panaudojant šiuos ypatumus, galima išspręst gana savotiškus techninius uždavinius.

Puslaidininkiai. Jų elektroninis ir skylinis laidumas

Puslaidininkiai — tai tokios medžiagos, kurių specifinė varža yra nuo 10-5 Ω*m iki 10-8 Ω*m ir kuri, kylant temperatūrai, smarkiai mažėja (priešingai negu laidininkų). Cheminio elemento simbolio kairėje viršuje esantis skaičius yra elemento eilės numeris, o dešinėje apačioje — puslaidininkio aktyvacijos energija elektronvoltais. Prie puslaidininkių priskiriama ir labai daug junginių, pavyzdžiui: SiC, Cu2O, PbS, CdSe ir t. t. Puslaidininkių specifinė varža, taigi ir specifinis laidumas, labai priklauso nuo išorinių sąlygų: temperatūros, apsviestumo, elektrinio ir magnetinio laukų.

Grynųjų puslaidininkių savasis elektrinis laidumas gali būti dvejopas: elektroninis arba skylinis.

Germanio ir silicio kristaluose gretimų atomų elektronai sudaro kovalentinius ryšius. Minėtuose grynuose kristaluose 0 K temperatūroje valentinė juosta yra visiškai užpildyta, o laidumo juosta — visiškai tuščia. Toks puslaidininkis yra izoliatorius. Kai temperatūra aukštesnė kaip 0 K, dėl atomų šiluminio judėjimo kai kurie valentiniai elektronai, gavę energijos kiekį, lygų draustinės juostos pločiui, gali peršokti iš valentinės į laidumo juostą, palikdami valentinėje juostoje laisvą vietą, vadinamąją skylę. Įnešus tokį puslaidininkį į elektrinį lauką, laidumo juostoje elektronai judės iš vieno energijos lygmens į kitą prieš elektrinio lauko jėgų kryptį. Ši elektronų judėjimo savybė ir sudaro elektroninį arba n tipo laidumą. Valentinėje juostoje susidariusios skylės pasižymi teigiamo krūvio pertekliumi, nes prieš peršokant elektronams į laidumo juostą tos vietos buvo neutralios. Vadinasi, skylės krūvis yra teigiamas ir skaitine verte lygus elektrono krūviui. Veikiant elektriniam laukui, į skylę gali pereiti elektronas, o skylė pasislinkti į jo vietą. Jos užleidžia vietą prieš elektrinį lauką valentinėje juostoje judantiems elektronams, o pačios slenka elektrinio lauko kryptimi, tartum perneša teigiamą krūvį ir sudaro elektros srovę. Skylių judėjimo valentinėje juostoje savybė yra vadinama skyliniu, arba p tipo, laidumu. Toks grynųjų puslaidininkių elektroninis ir skylinis laidumas vadinamas savuoju laidumu.

Dažnai puslaidininkiuose vyksta ir atvirkščias procesas — rekombinacija. Šiuo atveju elektronai peršoka iš laidumo juostos į valentinėje juostoje laisvą vietą — skylę. Tuo būdu elektronas neutralizuoja skylės teigiamą krūvį ir dalyvauja tarp atominiame ryšyje. Rekombinacijos procesas mažina puslaidininkio laidumą.

Puslaidininkių laidumo priklausomybė nuo temperatūros. Termistorius

Labai svarbi puslaidininkių savybė yra ta, kad jų elektrinė varža, kylant temperatūrai, sparčiai mažėja, arba sparčiai didėja, savasis laidumas. Juostinės teorijos požiūriu šis reiškinys aiškinamas šitaip. Grynasis puslaidininkis 0 K temperatūroje yra izoliatorius. Kadangi puslaidininkio draustinė juosta yra siaura, tai, temperatūrai didėjant, kai kurie valentiniai elektronai įgauna pakankamai energijos peršokti iš valentinės juostos į laidumo juostą. Kuo aukštesnė temperatūra, tuo daugiau valentinių elektronų peršoka į laidumo juostą, ir puslaidininkio savasis laidumas didėja. Metalų elektrinis laidumas, pakėlus temperatūrą 1 laipsniu, 0—100 °C ribose mažėja apytiksliai 0,3—0,4%, o puslaidininkių elektrinis laidumas, pakėlus temperatūrą 1 laipsniu,. tose pat ribose padidėja 3—6%. Metalų elektrinis laidumas, kylant temperatūrai, mažėja, o puslaidininkių laidumas — didėja.

Puslaidininkių elektrinio laidumo priklausomybė nuo temperatūros panaudota šiluminiuose varžuose, arba termistoriuose, kurie naudojami  temperatūrai matuoti. Termistorių sudaro nedidelis (apie 0,5 mm skersmens) puslaidininkinis rutuliukas (arba plokštelė) su pritvirtintais prie jo metaliniais kontaktais. Rutuliuko išorinis paviršius apsaugotas nuo drėgmės ir šviesos izoliacinės medžiagos kiauteliu. Viskas įtaisyta plastmasiniame laikiklyje, ant kurio galo užmautas antgalis, o puslaidininkio kontaktai laidais sujungiami su srovės šaltiniu ir mikroampermetru, sugraduotu temperatūros laipsniais. Kintant temperatūrai, kinta termistoriaus varža, kartu ir srovės stiprumas grandinėje. Mikroampermetro rodyklė rodo temperatūrą. Termistorių varža siekia tūkstančius ir net dešimtis tūkstančių omų, o metalinių termometrų — kelis šimtus omų. Tai svarbu, kai tarp termistorių ir matuojamojo prietaiso yra didelis nuotolis, nes pačių termistorių varža vis tiek esti žymiai didesnė už jungiamųjų laidų varžą. Kadangi termistoriai gali būti labai mažų matmenų, tai jie tinka matuoti temperatūrai labai mažuose tūriuose, plonuose dujų, skysčių ir kitokios aplinkos sluoksniuose, taip pat paviršiaus temperatūrai.

Termistoriais matuojama temperatūra grūdų saugyklose, taip pat dirvožemio temperatūra įvairiuose gyliuose.

Iki šiol oro pažemio sluoksnio temperatūra ir drėgmė buvo matuojama Asmano psichrometru. Pastaruoju metu tam tikslui imta naudoti distancinį elektropsichrometrą, kuris užrašo temperatūrą ir drėgmę.

Miniatiūriniai termistoriai, vadinami mikrotermometrais, sėkmingai naudojami biologijoje augalų lapų temperatūrai matuoti, tiriant jų šilumos apykaitą su aplinka. Jie ypač jautrūs labai mažiems temperatūros pokyčiams. Panašiu principu veikia prietaisas gyvulių temperatūrai matuoti, vadinamas veterinariniu elektrotermometru.

Minėjome, kad puslaidininkių laidumas priklauso ir nuo apšviestumo. Iš puslaidininkių pagaminti prietaisai apšviestumui matuoti vadinami liuksmetrais.

ELEKTROS SROVĖ PUSLAIDININKIUOSE

Puslaidininkiais vadinamos medžiagos, kurių elektrinės savybės skiriasi nuo dielektrikų bei metalų. Kitaip negu dielektrikai, puslaidininkiai praleidžia elektros srovę. Nuo metalų puslaidininkiai skiriasi tuo, kad jų specifinė varža kitaip priklauso nuo temperatūros: kylant temperatūrai, ji ne didėja, bet mažėja 

Aukštoje temperatūroje puslaidininkiai praleidžia elektros srovę beveik taip pat, kaip metalai.

Temperatūroje, artimoje absoliutiniam nuliui, specifinė puslaidininkių varža labai didelė, todėl pagal šias savybes jie pasidaro panašūs į dielektrikus.

Puslaidininkių sandara. Elektrinės puslaidininkių savybės paaiškinamos ypatinga puslaidininkių kristalų sandara.

Praktikoje daugiausia naudojami puslaidininkiniai prietaisai su germanio ir silicio kristalais. Kaip pavyzdį išnagrinėsime silicio kristalo sandarą. Kiekvienas silicio kristalo atomas susietas kovalentinėmis jungtimis su keturiais kaimyniniais atomais. Kadangi silicis keturvalentis, tai, susidarius keturioms kovalentinių elektronų poroms, užpildomas kiekvieno atomo išorinis elektronų sluoksnis. Taigi visi silicio kristalo elektronai yra surišti, ir išoriniuose atomo sluoksniuose nėra vietų, kurių neužimtų elektronai. Todėl išorinio elektrinio lauko veikiami elektronai nejuda nuo atomo prie atomo ir silicio kristalas nepraleidžia elektros srovės. Tokios yra silicio savybės žemoje temperatūroje.

Savasis puslaidininkių laidumas. Kylant temperatūrai, dėl atomų šiluminių virpesių energijos dalis kovalentinių jungčių suyra ir kristale atsiranda laisvųjų elektronų.

Išsilaisvinusių elektronų negali pagauti kaimyniniai atomai, nes jų valentinės jungtys prisotintos. Laisvieji elektronai, išorinio elektrinio lauko veikiami, juda kristale ir sukuria elektroninio laidumo srovę.

Nutrūkus kovalentinei jungčiai, atsiranda laisva vieta, į kurią gali pereiti kaimyninio atomo vienas elektronas, o į jo vietą — kito atomo elektronas ir 1.1. Vietos, kurioje trūksta elektrono, netvarkingas judėjimas suprantamas kaip teigiamojo elektros krūvio, vadinamo skyle, judėjimas.

Kristalui atsidūrus elektriniame lauko, skylės pradeda judėti kryptingai — atsiranda skylinio laidumo srovė.

Skylės sąvoka yra sąlygiška. Ja remiantis galima daug paprasčiau išnagrinėti sudėtingus procesus, vykstančius puslaidininkių kristaluose. Iš tikrųjų skylinio, kaip ir, elektroninio, laidumo srovę sukuria kryptingai judantys elektronai.

Idealiame puslaidininkio kristale elektros srovę sukelia vienodas skaičius neigiamų elektronų ir teigiamų skylių. Toks laidumas vadinamas savuoju puslaidininkių laidumu.

Krūvininkų koncentracija kambario temperatūros puslaidininkiuose daug mažesnė negu metaluose, todėl jų specifinė varža dažniausiai didesnė negu metalų.

Donorinės ir akceptorinės priemaišos. Puslaidininkių savybės labai priklauso nuo prie maišų kiekio. Priemaišos esti dvejopos — donorinės ir akceptorinės. Sakysim, silicio kristale yra arseno atomų priemaišų. Šie atomai kristalinės gardelės mazguose pakeičia silicio atomus. Penkiavalentis arseno atomas sudaro kovalentines jungtis su keturiais silicio atomais, o jo penktasis elektronas nedalyvauja jungtyse.

Penktojo valentinio elektrono ir arseno atomo jungčiai silicio kristale nutraukti pakanka nedidelės energijos. Todėl kambario temperatūroje beveik visi arseno atomai netenka vieno savųjų elektronų ir virsta teigiamaisiais jonais.

Teigiamasis arseno jonas negali pagauti elektrono iš vieno kaimyninių silicio atomų, nes elektronų ir silicio atomų ryšio energija gerokai viršija penktojo valentinio elektrono ir arseno atomo ryšio energiją. Todėl elektroninė vakansija (vieta, kur trūksta elektrono) nejuda ir skylinio laidumo nėra. Priemaišos, kurios atiduoda laidumo elektronus nesukurdamos tokio paties skaičiaus skylių, vadinamos donorinėmis.

Puslaidininkio kristalo su donorinėmis priemaišomis elektronai yra pagrindiniai, tačiau ne vieninteliai krūvininkai, nes nedidelė dalis savųjų puslaidininkio kristalo atomų jonizuota ir dalį srovės sudaro skylės. Puslaidininkinės medžiagos, kuriose elektronai yra pagrindiniai krūvininkai, o skylės — šalutiniai, vadinamos elektroniniais puslaidininkiais, arba n puslaidininkiais.

Jeigu. dalį silicio kristalo atomų pakeistume trivalenčio elemento, pavyzdžiui, indžio, atomais, tai indžio atomas sudarytų jungtis tiktai su trimis kaimyniniais atomais, o su ketvirtuoju atomu susijungtų tiktai vienu elektronu. Šiomis sąlygomis indžio atomas pagauna elektroną iš vieno kaimyninių silicio atomų ir virsta neigiamuoju jonu. Silicio atomui netekus elektrono, atsiranda skylė. Priemaišos, kurios pagauna elektronus ir kartu sukuria judriąsias skyles, nepadidindamos laidumo elektronų skaičiaus, vadinamos.

Žemoje temperatūroje puslaidininkio kristalo su akceptorinėmis priemaišomis pagrindiniai krūvininkai yra skylės, o šalutiniai — elektronai. Puslaidininkiai, kuriuose skylių koncentracija viršija laidumo elektronų koncentraciją, vadinami skyliniais, Arba p puslaidininkiais.

n ir p puslaidininkiai plačiai naudojami puslaidininkiniuose prietaisuose. Puslaidininkių specifinės varžos priklausomybė nuo temperatūros ir apšviestumo. Kaitinant arba apšviečiant puslaidininkio kristalą, nutrūksta vis daugiau elektronų ir atomų jungčių. Didėjant laisvųjų elektronų koncentracijai kristale, mažėja jo varža.

Termistoriai ir fotorezistoriai. Puslaidininkiniai prietaisai, kurių elektrinė varža priklauso nuo temperatūros, vadinami termistoriais. Prietaisai, kurių elektrinė varža. priklauso nuo apšviestumo, vadinami fotorezistoriais. Automatikoje termistoriai ir fotorezistoriai plačiai naudojami kaip davikliai, kuriais nustatomas temperatūros bei apšviestumo pokytis.

Gaminant termistorių, puslaidininkis dažniausiai įdedamas į metalinį apsauginį gaubtą, kuriame yra izoliuoti išvadai termistoriui įjungti į elektrinę grandinę. Kai kurie termistoriai neturi specialaus apsauginio gaubto, jų puslaidininkis tiktai padengtas lako sluoksniu. Fotorezistorių sudaro ant izoliacinio pagrindo padėtas plonas puslaidininkio sluoksnis, padengtas apsauginiu lako sluoksniu.

Temperatūros matavimo prie– taisai, kurių davikliai — termistoriai, yra pranašesni už kitus: labai jautrūs temperatūros kitimams, jais galima matuoti per atstumą. Termistorius padedamas toje vietoje, kur reikia išmatuoti temperatūrą, ir laidais sujungiamas su srovės šaltiniu, nutolusiu tam tikru atstumu nuo jo. Išmatavus termistoriaus įtampą ir srovės stiprumą grandinėje, galima nustatyti jo elektrinę varžą ir pagal gradavimo kreivę rasti temperatūrą.

 pn SANDOROS SAVYBES

pn sandūra. Praktikoje ypač plačiai naudojami puslaidininkiniai prietaisai, kuriuose taikomos pn sandūros savybės.

Skylinė elektroninė sandūra, arba sutrumpintai pn sandūra, yra riba, skirianti to paties monokristalo skylinio (p) ir elektroninio (n) laidumo sritis. Pro kristalo skirtingo laidumo sričių skiriamąją ribą vyksta elektronų difuzija. Elektronams perėjus iš n puslaidininkio į p puslaidininkį, elektroniniame puslaidininkyje atsiranda donorinių priemaišų nekompensuotų teigiamųjų jonų, skyliniame puslaidininkyje dėl elektronų ir skylių rekombinacijos — akceptorinių priemaišų nekompensuotų neigiamųjų jonų. Tarp dviejų tūrinio krūvio sluoksnių susidaro elektrinis laukas, kuris trukdo elektronams pereiti iš n puslaidininkio į p puslaidininkį arba skylėms — iš p puslaidininkio j n puslaidininkį.

Netekęs laisvųjų elektronų ir skylių, skirtingo laidumo puslaidininkių sričių ribinis sluoksnis, praktiškai virsta dielektriku.

Tūriniai jonų krūviai tarp skirtingo laidumo sričių sukuria kontaktinę įtampą Uk; germanio pn sandūros ji apytiksliai lygi 0,35 V, silicio —apie 0,6 V. pn sandūros lyginimo savybės. Jeigu pn sandūrą prijungsime prie srovės šaltinio taip, kad elektroninio laidumo sritis būtų sujungta su teigiamuoju poliumi, tai n puslaidininkio elektronai ir p puslaidininkio skylės, išorinio lauko veikiami, tols nuo pn sandūros į skirtingas puses, ir dėl to padidės jos storis. Šiuo atveju pn sandūros varža didelė, srovė silpna ir praktiškai nepriklauso nuo įtampos. Toks pn sandūros įjungimo būdas vadinamas įjungimu užtvarine, arba atgaline, kryptimi. Atgalinę srovę lemia savasis puslaidininkių laidumas. t. y. nedidelė p puslaidininkio laisvųjų elektronų ir n puslaidininkio skylių koncentracija. Jei pn sandūros skylinio laidumo sritį sujungsime su šaltinio teigiamuoju poliumi, o elektroninio laidumo sritį — su neigiamuoju poliumi, tai pagrindiniai krūvininkai galės lengviau pereiti pro sandūrą. Judėdami vienas priešais kita, jie pateks į užtvarinį sluoksnį ir sumažins jo varžą. Kai įtampa viršija Uk, pn sandūra tekančios srovės stiprumą paprastai riboja tik išorinės elektrinės grandinės varža. Toks įjungimo būdas vadinamas įjungimu laidžiąja, arba tiesiogine kryptimi.

pn sandūros savybė praleisti srovę viena kryptimi ir nepraleisti priešinga kryptimi taikoma prietaisuose, vadinamuose puslaidininkiniais diodais.

Puslaidininkinis diodas.

Svarbiausias puslaidininkinio diodo darbinis elementas yra germanio arba silicio kristalas, turintis dvi skirtingo laidumo sritis. Elektroninio ir skylinio laidumo sričių skiriamojoje riboje susidaro pn sandūra.

Kristalas įdedamas į stiklinį arba metalinį korpusą. Prie kristalo skirtingo laidumo sričių prijungiami išvadai.

pn sandūros savybė praleisti srovę praktiškai viena kryptimi taikoma dioduose kintamajai srovei paversti nuolatine, tiksliau, pulsuojančiąja srove.

Tiesioginės ir atgalinės srovės santykis, kai įtampa lygi 1V, vadinamas išlyginimo koeficientu. Gerų diodų išlyginimo koeficiento vertė siekia 106.

Puslaidininkinių diodų privalumai— maži matmenys ir masė, patvarumas, didelis mechaninis atsparumas ir naudingumo koeficientas. Esminis puslaidininkinių diodų trūkumas — jų parametrų priklausomybė nuo temperatūros. Puslaidininkiniai diodai negali veikti temperatūroje, žemesnėje negu apytiksliai -70° C, nes, krintant temperatūrai, didėja puslaidininkių specifinė varža. Kai temperatūra aukštesnė negu apytiksliai +800 C (germanio diodų) ir +125°C (silicio diodų), diodų darbo parametrai staigiai pablogėja dėl padidėjusios puslaidininkių savojo laidumo įtakos.