1. Собственная проводимость полупроводников

Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой.

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой.

В полупроводнике i-типа концентрация электронов ni равна концентрации дырок pi. То есть ni =pi.

Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда. Свободный электрон может занимать место дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов. В процессе рекомбинации и генерации зарядов дырка как бы движется в обратную сторону от направления движения электронов, поэтому дырку принято считать подвижным положительным носителем заряда.

Дырки и свободные электроны, образующиеся в результате генерации носителей заряда, называются собственными носителями заряда, а проводимость полупроводника за счёт собственных носителей заряда называется собственной проводимостью проводника.

2. Примесная проводимость проводников

Так как у полупроводников i-типа проводимость существенно зависит от внешних условий, в полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники.

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным. За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью; Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типомпроводимости, или полупроводником n-типа; В полупроводнике n-типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки — неосновными носителями заряда.

При в ведении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов. Примесь, при которой pi>ni, называется акцепторной примесью; Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником p-типа. В полупроводнике p-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны — неосновными носителями заряда.

5. Прямая ветвь вах реального p-n перехода

Под прямой ветвью ВАХ p-n перехода понимается зависимость прямого тока перехода от величины прямого напряжения: Iпр=f(Uпр), которая для идеального перехода описывается выражением

. (10)

Как показано на рис.9, прямая ветвь идеального p-n перехода должна быть экспоненциальной. На прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода оказывают влияние ряд факторов, существенными из которых являются: материал полупроводника, используемый для изготовления p-n перехода; сопротивление базы p-n перехода; температура окружающей среды; степень легирования областей перехода.

Характеристика близка к экспоненциальной только в начале зависимости - участок ОА ВАХ, а далее рост тока при увеличении прямого напряжения замедляется и характеристика становится более пологой - участок АВ ВАХ. Этот участок характеристики называют омическим, поскольку здесь оказывает влияние объемное сопротивление базы r_б p-n перехода. Ток, протекая через r_б , создает падение напряжения:

.

При этом внешнее напряжение не полностью падает на p-n переходе, а распределяется между ним и слоем базы. С учетом этого уравнение реальной ВАХ принимает вид

. (11)

Объемное сопротивление базы находится по формуле

, (12)

где _б - удельное электрическое сопротивление полупроводника области базы; W_б - ширина базы; S - площадь сечения базы.

Влияние объемного сопротивления базы на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода проявляется в виде смещения прямой ветви в сторону больших значений прямых напряжений. Поэтому, чем больше r_б, тем положе идет прямая ветвь ВАХ реального p-n перехода, как и отмечено на рис.9. Как правило, p-n переходы с большими значениями r_б выполняются для увеличения допустимого рабочего обратного напряжения на p-n переходе.

Даже при одинаковых условиях (одинаковая концентрация примесей; постоянная температура окружающей среды) ВАХ p-n переходов, выполненных из разных полупроводниковых материалов, отличаются. Главная причина этого - различное значение ширины запрещенной зоны полупроводниковых материалов. Чтобы появился прямой ток, необходимо уменьшить величину потенциального барьера. Для этого на p-n переход нужно подать прямое напряжение, близкое к значению контактной разности потенциалов. В p-n переходе на основе германия _к = (0,30,4) В, в p-n переходе на основе кремния _к = (0,60,8) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия _к = (1,01,2) В, поэтому прямая ветвь ВАХ кремниевого p-n перехода относительно германиевого смещается вправо на (0,30,5) В, а в p-n переходе на основе арсенида галлия это смещение ВАХ значительнее.

Рис.9. Прямая ветвь ВАХ p-n перехода: 1 – идеальный p-n переход; 2 – реальный p-n переход

С увеличением температуры окружающей среды растет прямой ток p-n перехода. Выражение для прямого тока можно записать в виде

.

Отсюда следует, что при увеличении температуры показатель степени экспоненты уменьшается, но ток I_о растет быстрее. Используя выражение для I_о, можно записать выражение для прямого тока в виде

. (13)

Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ реального p-n перехода представлено на рис.10.

Для оценки влияния температуры вводится

т емпературный коэффициент напряжения прямой ветви, под которым понимается величина, показывающая на сколько изменится прямое напряжение для получения одной и той же величины прямого тока при изменении температуры на 1 градус.

ТКНпр = Uпр / T = (Uпр₂-Uпр₁) / (T₂-T₁)  - (13) мВ / С.

Iпр = const Iпр = Iпр₁

Р ис.10. Влияние температуры на прямую ветвь ВАХ p-n перехода:

1 – Т₁=+20С; 2 – Т₂=+50С

Как видно, значение ТКН меньше нуля. Физическое объяснение этого факта сводится к следующему. При увеличении температуры уменьшается контактная разность потенциалов, энергия основных носителей заряда возрастает, соответственно растет диффузионная составляющая тока и прямой ток увеличивается.