5.2. Электронно-дырочный переход

Полупроводниковые приборы используют свойство границы двух полупроводниковых материалов с различными типом проводимости. Только полупроводниковые резисторы используют однородный материал. Область на границе двух сред полупроводника различной проводимости называют электронно-дырочным переходом (n-р переходом).

В связи с различной концентрацией носителей происходит диффузия дырок из р-зоны в n-зону и электронов из n-зоны в р-зону. Дырки, вошедшие через переход в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в р- область, рекомбинируют с дырками этой области. Вследствие действия двух факторов - диффузии основных носителей и рекомбинации - концентрация основных носителей (дырок в р-области р_р и электронов в n-области n_n) в приграничных областях падает, т.е. образуется объединенный носителями слой, обладающий высоким электрическим сопротивлением. Вследствие этого в приграничной р-области повысится концентрация электронов, а в n-области дырок. Таким образом, на границе двух полупроводников создается двойной электрический слой l₀, образующий местное (контактное) электрическое поле Е и разность потенциалов φ. Толщина слоя l₀ зависит от степени легирования полупроводника и составляет доли микрона. На рис. 5.5. показаны графики изменения концентрации носителей вблизи n-р перехода, а также диаграммы разности потенциалов  и напряженности поля Е в переходе. Величина потенциального барьера φ₀ зависит от соотношения концентраций носителей одного знака по обе стороны перехода:

Рис. 5.5. Схема образования электронно-дырочного перехода двух полупроводниковых материалов.

Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером ₀ создаст тормозящее действие для основных и ускоряющее действие для неосновных носителей заряда. Таким образом, ₀ приводит к уменьшению диффузионного тока через переход и появлению встречного ему дрейфового тока. Наличие дрейфового тока в свою очередь уменьшает φ₀.

В итоге возникает динамическое равновесие I_др = I_диф. Для германия φ₀ 0,3 - 0,5 В, для кремния 0,6 - 0,8 В.

В результате даже без приложения внешнего напряжения на границе двух полупроводников возникает потенциальный барьер, препятствующий движению основных носителей тока.

П одключение внешнего напряжения в прямом направлении уменьшает потенциальный барьер, а в обратном - увеличивает на величину внешнего напряжения.

Вследствие этого n-р переход обладает выпрямительными свойствами - рис. 5.6. Прямой ток через переход значительно больше тока в обратном направлении.

Рис. 5.6. Вольтамперная характеристика n-р перехода.

5.3. Полупроводниковые материалы

В качестве полупроводниковых материалов в электротехнике наиболее часто используют германий, кремнии, селен, арсенид галлия, карбид кремния, а также сульфиды и окислы некоторых веществ.

Германий - элемент четвертой группы периодической системы Менделеева. Получают с помощью сложной системы обогащения из золы углей, цинковых и сульфидных руд. Полученный металл тщательно очищают зонной плавкой, вводят донорную или акцепторную примесь и в вакууме или инертном газе вытягивают монокристалл легированного германия заданных размеров. Температура плавления германия 937,2°С. При 20°С  = (б0 - 68) Омсм,  = 16,3. У легированных сортов германия n-типа  = (0,003 - 45) Омсм, а р-типа (0,4 - 5,7) Омсм. Все сорта германия обладают большой твердостью и хрупкостью. Широко используется для производства диодов, транзисторов, фотоэлементов и других полупроводниковых изделий. Из него изготавливаются датчики Холла и других гальваномагнитных эффектов. Германий используется для изготовления различных фотоэлектрических преобразователей; фоторезисторов, фототранзисторов, оптических фильтров и модуляторов. Рабочий диапазон температур германиевых приборов -от 60°С до +70°С и по устойчивости к температуре значительно уступает кремнию.

Kpeмний - также является элементом 4 группы периодической системы Менделеева. Он широко распространен в природе в виде кремнезема SiO₂, который служит исходным веществом для получения технических сортов кремния. В результате очистки слитков кремния методом зонной плавки и последующего введения легирующих примесей получают монокристаллический кремний с заданной электропроводностью. Температура плавления кремния 1420°С,  = (2 -3) 10⁵ Омсм,  =11,7. У легированных сортов кремния n-типа =(0,01 - 200) Омсм, а р-типа (0,014 - 50) Омсм в зависимости от концентрации примесей.

Кремнии применяется более широко, чем германий, так как верхний предел рабочей температуры приборов на его основе достигает 130 - 200 °С. Он является главным полупроводниковым материалом современной электроники. Кремний используется для изготовления тех же полупроводниковых приборов, что и германий - диодов, транзисторов, фотоэлементов, датчиков Холла и т. д. Такие широко применяемые полупроводниковые приборы, как тиристоры, в настоящее время изготавливаются исключительно из кремния. Кремний находит большое применение при производстве интегральных микросхем.

Селен- элемент шестой группы таблицы Менделеева. Получается в виде побочного продукта при электролитической очистке меди. Селен существует в нескольких разновидностях, различающихся кристаллической структурой. Черный аморфный селен получают из расплавленного селена при быстром его охлаждении. Он представляет собой диэлектрик с удельным сопротивлением  =10¹³Омсм.

Серый кристаллический селен получают из расплавленного аморфного селена при медленном его охлаждении. Кристаллический селен является полупроводником. Его параметры при 20°С:  =(0,8 - 5) 10⁵ Омсм,  = 6,3.

Селен применяется для изготовления селеновых выпрямителей, фоторезисторов и фотоэлементов. Селеновые выпрямители изготавливают путем нанесения порошкообразного селена на железные или алюминиевые пластинки. После термической обработки наносят слой сплава из висмута, кадмия и олова, в результате чего получается прослойка селенистого кадмия. Пара селен и селенистый кадмий образуют n-р переход, обладающий выпрямительными свойствами. Плотность прямого тока в селеновых выпрямителях не превышает (60 - 80) мА/см², что значительно меньше аналогичного показателя для германия и кремния (до 60 А/см²). Обратное напряжение, выдерживаемое шайбой селенового выпрямителя составляет (18 - 36) В, пробой происходит при перенапряжении до 80 В. Место пробоя заставляется слоем аморфного селена, представляющего собой хороший диэлектрик, и выпрямитель автоматически восстанавливает свою работоспособность (но уже при меньшей площади перехода и соответственно меньшем допустимом прямом токе). Температурный интервал работы селеновых выпрямителей -от-60⁰ С до +75⁰С.

Карбид кремния SiC - представляет собой хрупкий материал поликристаллического строения. Его получают термической обработкой чистого кварцевого песка и каменного угля с добавлением легирующих примесей - фосфора, сурьмы или висмута для создания проводимости n-типа, кальция, бора или алюминия для создания проводимости р-типа. Температура плавления 2600°С. Параметры при 20°С:  =(104 - 107) Омсм,  =6,5 - 7,5.

Из карбида кремния могут изготавливаться диоды и транзисторы на рабочие температуры до 500°С. Основная область применения карбида кремния -производство варисторов, обладающих зависимостью величины сопротивления от приложенного напряжения, а также вентильных разрядников для защиты линий электропередач от перенапряжений.

Аресинид галлия (Ga As) представляет собой соединение мышьяка и галлия. Характерной его особенностью является высокая подвижность электронов и дырок, что позволяет создавать на его основе полупроводниковые приборы, работающие в области высоких частот. Для n-р переходов допускаются рабочие температуры до 400°С, т.е. значительно выше, чем для германия и кремния. Температура плавления 1237°С. Основные параметры при 20°С: р = (10⁴ - 10⁹) Омсм,  = 112. Используется для изготовления светодиодов, а также диодов и транзисторов для высоких и сверхвысоких частот.

Сульфиды (сернистые свинец, висмут, кадмий) используются для производства полупроводниковых фотосопротивлений с различной чувствительностью, а также в качестве люминофоров.

Окислы - некоторых металлов (Fe, Mg, Cr, Ti) используются главным образом для создания различных термосопротивлений - термисторов и позисторов, меняющих свое сопротивление в зависимости от температуры в широких пределах, При этом термисторы обладают отрицательным, и позисторы - положительнным коэффициентом сопротивления.