5. Методика изучения электропроводности полупроводников

При изучении электропроводности полупроводников целесообразно начать с демонстрации характерных свойств полупроводников – их удельное сопротивление существенно выше, чем у металлов (но меньше, чем у диэлектриков), однако резко падает с ростом температуры.

Механизм проводимости полупроводников выясняется на основе введенного в химии понятия ковалентной и парно-электронной связи. Для этого необходимо рассмотреть структуру полупроводников.

Различают собственную и примесную приводимость полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников обусловлена наличием небольшого количества свободных электронов и дырок (избыточных положительных зарядов), которые образуются при переходе электрона с одной локализованной связи на другую.

Проводимость полупроводников резко увеличивается с введением примесей. Пусть z – валентность полупроводника. При введении в данный полупроводник элемента с валентностью z+1 (донорная примесь) один из электронов атома примеси не задействован в химической связи с соседними атомами полупроводника, он освобождается и возникает электронная проводимость (проводимость n-типа).

При введении в данный полупроводник элемента с валентностью z-1 (акцепторная примесь) атому примеси для образования парно-электронных связей с соседними атомами не хватает одного электрона. Тогда один из электронов атома полупроводника переходит к атому примеси и возникает дырочная проводимость (проводимость р-типа).

Ш ирокое использование полупроводников в современной радиоэлектронике связано с эффектами, возникающими при контакте полупроводников р-типа и n-типа. В зоне контакта образуется тонкий слой, который называется эпектронно-дырочным переходам или п-р-переходом. Благодаря тому, что концентрация электронов в п-области значительно выше, чем в р-области (соответственно концентрация дырок в р-области значительно больше их концентрации в п-области), через границу раздела происходит диффузия электронов из п- в р-область и диффузия дырок из р- в п-область. Процесс диффузии электронов и дырок через п-р-переход сопровождается их рекомбинацией, поэтому п-р-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе раздела между п- и р-областями возникает двойной электрический слой. Этот слой образован отрицательно заряженными ионами, возникающими в результате захвата электронов атомами примеси, заряд которого не скомпенсирован дырками в р-области, и положительно заряженными ионами примеси, заряд которых не компенсируется электронами в п-области. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу основных носителей тока через границу. Иными словами, в зоне перехода между полупроводниками п- и р-типов образуется запирающий слой.

п-р-переход можно включить в прямом и обратном направлении.

1. Прямое направление.

Под действием электрического поля, созданного источником, запирающий слой начнет исчезать, т. к. электрическое поле источника направлено против поля, которое создано двойным электрическим слоем, и практически полностью компенсирует его. Это приводит к возобновлению диффузии основных носителей тока через п-р-переход и возникновению электрического тока в цепи.

2. Обратное (запирающее) направление.

Толщина запирающего слоя и его сопротивление возрастают, т. к. в этом случае направление электрического поля, созданного источником, совпадает с направлением поля, созданного двойным электрическим слоем.

Зависимость силы тока от разности потенциалов – вольт-амперная характеристика п-р-перехода – изображена на рисунке (сплошной линией – для прямого, штриховой – для обратного направления).

Таким образом, п-р-переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном. Данное свойство р-n–перехода используют для выпрямления переменного тока.

Для обобщения и систематизации знаний по данной теме целесообразно заполнение следующей таблицы:

Материальная среда	Свободные носители электрического заряда	Тип проводимости	Основные зависимости	Вольт-амперная характеристика
Металлы	Электроны	Электронная
Электролиты	Положительные и отрицательные ионы	Ионная
Газы	Положительные и отрицательные ионы, электроны	Электронно-ионная
Полупроводники	Электроны, дырки	Электронно-дырочная