88. Электропроводность (собственная и примесная) полупроводников.

О сновным свойством является сильная зависимость электропроводности от содержания примесей, температуры, давления, освещённости и т.д. Для производства п/п приборов используются: кремний, германий, карбид кремния SiC, арсенит галлия, селен и т.п. Кремний и германий – это 4-х валентные элементы. Кристаллическая решётка состоит из атомов, каждый из которых имеет ковалентные связи с 4-мя соседними.

Электроны ковалентной связью связанные под действием электрического поля не могут перемещаться по кристаллам и ток не идёт. Для разрыва этой связи нужно затратить энергию: ΔW_Ge = 0.78 эВ, ΔW_Si = 1.21 эВ. Эту энергию можно сообщить электронам путём нагрева (термогенерация). Электрон освобождается от связи и хаотично перемещается по кристаллу. Незаполненное место тоже перемещается по кристаллу. Его рассматривают как частицу с положительным зарядом, равным заряду электрона и называют дыркой, т.е. в п/проводнике образуется 2 типа зарядов: дырки р и электроны n. Если электрон заполняет дырку, то происходит рекомбинация. За счёт генерации и рекомбинации устанавливается равновесная концентрация электронов и дырок, которая зависит от температуры. Рi = n_i . Такая электропроводность называется собственной. Тип электропроводности можно изменить, внеся в полупроводник примесь: донорную и акцепторную. Для Ge и Si донорной примесью является 5-ти валентные элементы: фосфор, мышьяк, сурьма и др., атомы которых замещают в кристаллической решётке атомы германия и кремния.

5-й валентный электрон примеси связан только с атомом примеси. Энергия связи примеси ΔWпр ≈ 0,01 эВ. При повышении температуры в первую очередь станут свободны электроны доноров, а атомы доноров зарядятся положительно. При этом все ковалентные связи заполнены, дырок не образуется, т.е. в п/п будет протекать только ток, с озданный электронами. Такой п/п называется проводником n-типа или п/п с электронной проводимостью. n_n >> Рр.

Электроны – основные носители заряда, дырки – неосновные носители заряда.

К акцепторным примесям относятся 3-х валентные элементы: бор, алюминий, индий.

3 валентных электрона заняты в ковалентных связях с атомами п/п, 4 связь не заполнена. Её может заполнить любой электрон из соседней связи. Атом примеси превращается в отрицательно заряженный ион, рядом образуется дырка, а все электроны остаются связанными. Рр >> n_n.

П/п с акцепторной примесью называется проводником Р типа или с дырочной электропроводностью. Дырки в нём – основные носители заряда, электроны – неосновные. Если продолжать нагревать п/п, то при определённой температуре примеси перестанут оказывать влияние на электропроводность. И при этом нарушается нормальная работа п/п. Эта предельная температура для п/п и чем выше ΔW, тем она больше.

ТпредSi = 125⁰

TпредGe = 75⁰

89. Электронно-дырочный переход (определение, прямое и обратное включение, вольт-амперная характеристика).

Или р-n переход – это переходной слой у границы раздела 2-х областей п/п с различным типом электропроводности. Он составляет основу многих п/п приборов.

В равновесном состоянии области р и n нейтральны, т.к. концентрация электронов и дырок равна концентрации ионов. При возникновении контакта между 2-мя областями начинается диффузия дырок из р в n область и электронов из n в р область. Они подходят к границе раздела областей там рекомбинируют. Таким образом часть ионов примеси оказывается не скомпенсированной. Здесь возникают избыточные заряды –Q и +Q. Между ними возникает электрическое поле Eq. На установившемся режиме это поле полностью тормозит диффузию. В результате этого возникает зона с низкой концентрацией носителей заряда. Это и есть р-n переход.

Если к р-n переходу подключить напряжение (прямое), то поле, создаваемое внешним источником, противоположно Еq. Основные носители заряда будут двигаться к переходу и через п/п потечёт ток. Т.к. концентрация основных носителей заряда велика, то и ток будет значительным даже при малом напряжении. Такое включение р-n перехода называется прямым, а состояние – открытым. Если поменять полярность подводимого напряжения, то его поле будет совпадать с Еq и под его действием носители заряда отойдут от перехода. Зона объёмных зарядов станет шире. Такое включение р-n перехода называется обратным, состояние – закрытым, обратный ток очень мал. Rобр → ∞.

Зависимость тока через р-n переход от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ).

Iпр (Uпр) соответствует прямому включению, а Iобр (Uобр) – обратному включению р-n перехода. Iобр создаётся не основными носителями заряда и насыщение происходит при небольших напряжениях. Если напряжение повышать дальше, то при U = Uпр наступает электрический пробой диода, который обратим. Если напряжение повышать дальше, то произойдёт необратимый тепловой пробой р-n перехода, который вызывает разрушение р-n перехода. При повышении температуры напряжение пробоя уменьшается, поэтому п/п устанавливается на радиаторы, имеющие большую площадь охлаждения.