Лекція 18

Тема 10 основи електроніки

10.1. Електронно-дірковий перехід

Хімічним елементом називається з'єднання атомів з однаковим зарядом ядра. У природі з усіх хімічних елементів тільки гази: гелій, неон та інші знаходяться в одноатомному стані. Всі інші елементи тяжіють з'єднатися один з одним у певному порядку, утворюючи молекули. З'єднання у певному порядку атомів і молекул називається речовиною. Тверда речовина має свою структуру і складається з атомів, що мають у своєму складі ядра й електрони, які знаходяться на визначених енергетичних рівнях (заповнена зона, заборонена зона, валентна зона, зона провідності).

У речовині, яку називають напівпровідником, валентна зона і зона провідності розділені забороненою зоною, у провіднику такий розподіл відсутній, а в діелектрику є, але ширина забороненої зони набагато більше, ніж у напівпровідника. Розрізняють власні напівпровідники та напівпровідники з домішкою. Власними напівпровідниками є хімічні елементи IV групи періодичної таблиці Менделєєва: кремній (Si), германій (Ge), що мають 4 валентних електрони, які можуть вступити в хімічний зв'язок з електронами інших атомів. При незначній температурі один або декілька з цих валентних електронів можуть переходити в зону провідності на відміну від діелектрика.

Властивість атомів одного хімічного елемента приєднувати певну кількість атомів інших хімічних елементів називається валентністю. З'єднання атомів хімічних елементів у молекулу називається хімічним зв'язком. Він може виникнути, наприклад, при утворенні електронних пар: двох електронів, які належать одночасно двом атомам (тобто обертаються навколо ядер двох атомів); такий хімічний зв'язок називається ковалентним зв'язком. Якщо ковалентний зв'язок утворюється в результаті переходу електронної пари від одного хімічного елемента – донора (постачальника електронів) до іншого хімічному елементу – акцептору (користувачу електронів), то такий хімічний зв'язок називається донорно-акцепторним зв'язком.

Напівпровідник з домішкою утворюється у такий спосіб. Якщо в хімічний елемент IV групи внести домішку (хімічний елемент V групи), то при кімнатній температурі атоми домішки віддають 5-й електрон, який не бере участі у створенні хімічного зв'язку. В результаті атоми домішки, які розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, а в отриманій речовині з'являються вільні електрони. Такі речовини, у яких носіями зарядів є електрони, називають напівпровідниками n-типу (n – «negative» – негативний), а домішки, завдяки яким виникають вільні електрони, називають донорними.

Якщо в хімічний елемент IV групи внести як домішку хімічний елемент III групи, то при кімнатній температурі атоми домішки захоплюють електрони у деяких атомів хімічного елемента IV групи для утворення хімічного зв'язку. В результаті ці атоми, розташовані у вузлах кристалічних решіток, стають позитивними іонами, навколо яких знаходяться нейтральні атоми. Нейтральні атоми, які знаходяться біля іона, віддають свої електрони позитивному іону, роблячи його нейтральним; при цьому вони самі стають позитивними іонами. Отже, місце позитивного іона увесь час змінюється, начебто переміщується позитивний заряд, який дорівнює за модулем заряду електрона. Відсутність електрона в атомі напівпровідника називають діркою, яка має позитивний заряд, рівний за модулем заряду електрона. Такі речовини, у яких носіями зарядів є дірки, називають напівпровідниками р-типу (р – «positive» – позитивний), а домішки, завдяки яким виникають дірки, називають акцепторними.

Я кщо з'єднати напівпровідник р-типу з напівпровідником n-типу, то утвориться напівпровідник р-n-типу (який має р-шар та n-шар) у місці їх з'єднання створиться електронно-дірковий перехід (р-n-перехід), у якому електрони n-шару заповнюють дірки р-шару. Тому в місці з'єднання утвориться шар речовини, що не має вільних зарядів (тобто з великим опором), який називають замикаючим шаром. Товщина замикаючого шару складає кілька мікрометрів, його розширенню перешкоджає електричне поле нерухомих іонів домішок. Отже, у нейтральному стані, коли потенціали на кінцях напівпровідника дорівнюють нулю, упорядкований і спрямований рух зарядів у ньому відсутній, тобто сила струму дорівнює нулю (рис.10.1).

Я кщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти позитивний потенціал (+), а до n-шару – негативний потенціал (–), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки. Нестача електронів у n-шарі та дірок у р-шарі компенсується за рахунок джерела електрорушійної сили: електрони від джерела надходять у n-шар, а з р-шару електрони надходять до джерела, утворюючи в цьому шарі дірки. Цей упорядкований і спрямований рух вільних зарядів у напівпровіднику (прямій електричний струм) відбувається доти, поки до нього прикладена пряма напруга від джерела електрорушійної сили: «+» – до р-шару, а «–» – до n-шару (рис.10.2).

Я кщо від джерела електрорушійної сили до р-шару отриманого напівпровідника прикласти негативний потенціал (–), а до n-шару – позитивний потенціал (+), то електрони під дією прикладеної напруги з n-шару почнуть надходити до джерела, з якого будуть проникати в р-шар, заповнюючи дірки (тобто відбудеться розширення замикаючого шару). Цей процес припиниться, коли товщина замикаючого шару стане пропорційною прикладеній напрузі джерела. У напівпровіднику буде відбуватися незначний упорядкований і спрямований рух зарядів (зворотний електричний струм) доти, поки до нього прикладена зворотна напруга від джерела електрорушійної сили: «–» – до р-шару, а «+» – до n-шару (рис.10.3).

Отже, речовини, електропровідність яких знаходиться між провідниками та діелектриками, називають напівпровідниками, характерними властивостями яких є:

• напівпровідник при прямій напрузі проводить електричний струм в одному напряму (є провідником), а при зворотній напрузі практично не проводить електричний струм (є діелектриком);

• при збільшенні температури питомий опір напівпровідників знижується (провідників, навпаки, зростає).