6.4. Каким образом в полупроводниках создается проводимость p – или n-типа?
Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными (отдающими) примесями. Поскольку полупроводники, имеющие донорную примесь, обладают большим числом электронов (по сравнению с числом дырок), их называют полупроводниками n-типа (от слова negative - отрицательный ). В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями заряда, а дырки неосновными.
Если в качестве примеси использовать индий, атомы которого трехвалентны, то характер проводимости полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных парноэлектронных связей с соседями атому индия недостает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок в кристалле равно число атомов примеси.
Такого рода примеси называют акцепторными (принимающими).
При наличии электрического поля дырки перемещаются по полю и возникает дырочная проводимость. Полупроводники с преобладанием дырочной проводимости над электронной называют полупроводниками p-типа (от слова positive - положительный). Основными носителями заряда в полупроводнике p-типа являются дырки.
6.5. Объясните механизм электропроводности собственных и примесных полупроводников.
В идеальном полупроводниковом кристалле электрический ток создается движением равного количества отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных дырок. Такой тип проводимости называется собственной проводимостью полупроводника.
Существенная особенность полупроводников состоит в том, что в них при наличии примесей наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная – примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака. Благодаря этому можно создавать полупроводники с преимущественной концентрацией – либо отрицательно, либо положительно заряженных носителей.
6.6. Нарисуйте зонные диаграммы полупроводников p- типа n- типа, зонную диаграмму p- n перехода. Объясните их.
Электронная проводимость (n-типа) образуется при введении в собственный полупроводник донорной примеси. Донорами являются атомы пятой группы таблицы Менделеева. Уровень энергии ED, соответствующий донорной примеси, лежит в запрещенной зоне «ниже» EC. При комнатной температуре почти все доноры будут ионизированы, т.е. «лишние» электроны атомов донорной примеси перейдут в зону проводимости. Концентрация электронов ne в зоне проводимости примерно равна концентрации атомов примеси, и уровень Ферми будет находиться между ЕС и ED (рис. 6.1. а). Электроны могут попадать в зону проводимости и из валентной зоны, в которой при этом образуются дырки. Поскольку вероятность такого перехода мала, т.к. ΔE >> (EC - ED), то и концентрация дырок np в валентной зоне будет незначительна: ne >> np.
E
E
EC
EC
EF
ED EA
EF
EV EV
a) n-типа б) p-типа
Рис. 6.1.
Проводимость p-типа образуется при введении в полупроводник акцепторной примеси. Акцепторная примесь – атомы трехвалентных элементов. На зонной диаграмме уровень энергии EA акцепторов находится внутри запрещенной зоны, но вблизи потолка валентной зоны. Вследствие малости энергии акцепторы при обычных температурах будут ионизированы, что соответствует переходу электронов из валентной зоны на акцепторный уровень; уровень Ферми в этом случае будет расположен между EA и EV (рис. 6.1. б). В валентной зоне образуется множество дырок; концентрация их примерно равна концентрации акцепторов. В зоне проводимости будет небольшое количество электронов, при этом ne << np, т.е. электроны в полупроводнике p-типа – неосновные носители.
Для создания p-n-перехода (рис. 6.2.) в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью – область с электронной проводимостью.
p-n
EC
n-область
EF EA
ED
p-область
EV
Рис. 6.2.
Такая область создается введением атомов примесей через кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок.
6.7. Чем обусловлен обратный ток полупроводникового диода?
В полупроводнике p-типа мало свободных электронов, а в n-типа мало дырок. Таким образом, переход осуществляется неосновными носителями, число которых мало. Вследствие этого проводимость образца оказывается незначительной, а сопротивление большим. Этот переход называют обратным.
6.8. Почему в данной работе исследуемый диод нужно включать в запорном направлении?
При включении диода в запорном направлении («плюс» к n-области) в дополнение к барьеру собственно p-n-перехода движению основных носителей будет препятствовать еще и внешнее электрическое поле. Но ничего не будет препятствовать движению неосновных носителей: дырок из n-области и электронов из p-области.