2. Типы проводимости полупроводниковых материалов. Электронно-дырочный переход. Основные параметры полупроводниковых диодов.

Типы проводимости полупроводниковых материалов и свойства электронно-дырочного перехода рассматривались в курсе молекулярной физики, раздел «Электричество». Поэтому сейчас выделим лишь основные положения этих вопросов.

В чистом полупроводнике, при температуре выше абсолютного нуля по шкале Кельвина генерируется два вида подвижных носителей зарядов – электрон и дырка. При наличии таких носителей полупроводник приобретает способность проводить электрический ток. Электропроводность, обусловленная только генерацией пар электрон-дырка, называется собственной. Количественно она может быть определена выражением

,

где:

g= 1,610^-19K– заряд электрона;

nиp– концентрация подвижных электронов и дырок, причемn=p;

_nи_p– подвижность носителей.

Концентрация подвижных носителей заряда зависит от температуры, поэтому:

,

где:

А– константа;

Т- температура по Кельвину;

W– ширина запретной зоны;

К= 1,3810^-23– постоянная Больцмана.

Проводимость полупроводников существенно изменяется при добавлении примеси. Так, если валентность примеси больше валентности полупроводника (например атомы фосфора), то концентрация электронов существенно (на 10 – 20 порядков) увеличивается. Поэтому количественно проводимость может быть вычислена выражением

где n_n – концентрация примесных носителей.

Такая примесь называется донорной, проводимость – электронной, а полупроводник – полупроводником nтипа.

При добавлении примеси, валентность которой меньше валентности полупроводника (например, атомы бора), в теле полупроводника резко увеличивается концентрация дырок. Поэтому

,

где:

Р_Р- концентрация примесных носителей.

Такая примесь называется акцепторной, проводимость - дырочной, а полупроводник - полупроводником p- типа.

Металлургическая граница между полупроводниками двух типов называется электронно-дырочным или p-ппереходом. Это основной рабочий элемент полупроводниковых электронных приборов. Выделим следующие его свойства.

1. При отсутствии внешнего электрического поля у границы p-пперехода образуется объемные заряды электронов вpобласти и дырок впобласти. Перепад потенциала зарядов образует потенциальный барьер, причем

,

где: - концентрация ионизированных атомов в полупроводнике;

- температурный потенциал, приТ=300⁰К,.

В непосредственной близости от границы перехода образуется слой полупроводника обедненного носителями зарядов. Проводимость этого слоя мала и его называют запирающим. Сопротивление р-пперехода определяется толщиной запирающего слоя.

В установившемся режиме через р-ппереход протекают диффузионные токи электроновi_{n диф} и дырокi_{Р диф}, а также дрейфовые (обратные) токи электроновi_{n др} и дырокi_{Р др}, причем

i_{n диф} = - i_{n др};

i_{Р диф} = - i_{Р др}.

Поэтому результирующий ток равен нулю.

2. При обратном включении р-nперехода (минус кРобласти, плюс кnобласти) запирающий слой расширяется. Сопротивление р-пперехода увеличивается (до 10⁴Ом). Практически все напряжение внешнего источника подает на этом сопротивлении, увеличивая высоту потенциального барьера, причем

.

Этот барьер препятствует диффузионным токам, уменьшая их до нуля (в зависимости от величины ). Значение дрейфовых токов остается прежним или несколько возрастает в зависимости от теплового режима полупроводника.

3. При прямом включении р-пперехода (плюс кробласти, минус кnобласти), запирающий слой уменьшается. Сопротивлениер-nперехода подает (доп100 Ом). Теперь падение напряжения встречно потенциальному барьеру, причем

.

Это приводит к увеличению диффузионных токов, которые называют прямыми, и обозначают I_пр.

Таким образом, р-nпереход обладает односторонней проводимостью. Это основное свойство целого класса полупроводниковых электронных приборов, называемых диодами. Напомню, что диод это полупроводниковый электронный прибор с однимр-nпереходом и двумя выводами. Условное графическое обозначение диода приведено на рис. 12.3а.

Часто вывод, к которому подключают "+" источника питания при прямом включении, называют анодом. Второй вывод - катодом.

Диоды характеризуются следующими основными параметрами:

Среднее значение прямого тока и напряжения.

Среднее значение обратного тока.

Максимально допустимое прямое и обратное напряжение.

Максимально допустимое значение прямого тока.

Максимально допустимые мощность, частота, границы температуры окружающей среды и др.

Обобщенной характеристикой диодов является вольтамперная характеристика, т.е. зависимость тока диода от приложенного к нему напряжения (рис. 12.3б). Она описывается выражением

,

где:

- приложенное напряжение;

- обратный (дрейфовый) ток, который часто называют тепловым.

Так как при комнатной температуре , то при прямых напряжениях выше 0,1Взначением единицы в последнем выражении можно пренебречь. Значит, прямой ток через диод изменяется по экспоненциальному закону.

При обратных напряжениях >0,1В экспоненциальный член выражения становится пренебрежимо малым по сравнению с единицей. Им можно пренебречь. Значит, при обратном включении ток через диод становится очень малым, меняет знак на обратный и не зависит от приложенного напряжения.