книги / Физика для бакалавра. Ч. 2-1

ряды. Такое перемещение дырок приводит к образованию про-

водимости, называемое дырочной примесной проводимостью. Избыточный отрицательный заряд, возникающий вблизи атома примеси, связан с атомом примеси и по решетке перемещаться не можетивпроводимостине участвует.

Атомы элемента бора, введенные в кристалл кремния в качестве примеси, образуют в запретной зоне, вблизи поверхности валентной зоны, энергетический уровень, называемый акцепторным, а сама примесь называется акцептором

электрона из заполненной валентной зоны кристалла на локальный уровень примеси (рис. 32.11).

ЕВозбужденная зона

Е

Валентная зона

Рис. 32.11

Этот переход освобождает один из уровней в верхней части валентной зоны, тем самым создавая в кристалле дырку. Переход электронов из валентной зоны на уровни примеси требует меньшей энергии, чем переход их в зону проводимости кристалла ( Еа< Е). Атомы примеси такого рода называются акцепторными или просто акцепторами.

Очевидно, что при наличии в кристалле доноров кристалл имеет электронную проводимость, так как основной массой но-

341

сителей заряда в нем будут электроны. Если в кристалле есть ак- цепторы,проводимостькристалла–дырочная.

Те же правила определения знака примесной проводимости, что и для полупроводников – элементов IV группы Периодической системы, действуют и для полупроводниковых соединений элементовIIIиVгруппПериодическойсистемы(соединенийАIIIВV).

Примесные носители создаются в кристалле полупроводника не только чужеродными атомами, но и собственными атомами в том случае, если они оказываются в междоузлии. Так, переход атома Si в междоузлие вызывает образование двух локальных энергетических уровней: атом в междоузлии действует как донор, а пустой узел – как акцептор.

В полупроводниковых соединениях избыточные по отношению к стехиометрическому составу атомы тех самых элементов, из которых построена основная решетка, занимающие «неправильные» положения, являются либо донорами, либо акцепторами в зависимости от того, какой из атомов соединения оказывается «нарушителем». Так, если полупроводник представляет собой соединение металла и металлоида (окислы, сульфиды и др.), то избыток атомов металла (по отношению к стехиометрическому составу) создает в полупроводнике электронную проводимость, избыток же атомов металлоида – дырочную проводимость.

32.4. Контактные явления на границе соприкосновения полупроводников n- и p-типа

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводи-

мость, называется электронно-дырочным переходом (или p-n- переходом).

Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов, p-n-переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной прово-

342

димости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n- переходе (рис. 32.12). Пусть донорный полупроводник (работа выхода – Ап, уровень Ферми – ЕFn) приводится в контакт (рис. 32.12, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода – Ар, уровень Ферми – EFp). Электроны из n-полупровод- ника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же ды- рокпроисходитвобратномнаправлении–внаправлении p n.

Рис. 32.12

343

В n-полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается некомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донорных атомов. В р-полу- проводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис. 32.12, а). Эти объемные заряды образуют у границы двойной электрический слой, поле которого, направленное от п- области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n p и дырок в направлении p n.

Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках п-

ир-типа одинаковы, то толщины слоев d1 и d2 (рис. 32.12, в), в которых локализуются неподвижные заряды, равны (d1 = d2).

При определенной толщине p-n-перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (см. рис. 32.12, в). В области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, в peзультате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так

идырок. Высота потенциального барьера e определяется пер-

воначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупроводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полупроводника на высоту, равную e , причем подъем происходит на

толщине двойного слоя d.

Толщина d слоя p-n-перехода в полупроводниках составляет примерно 10–6–10–7 м, а контактная разность потенциалов – десятые доли вольт.

Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т.е. при обычных температурах равновесный контактный слой являетсязапирающим(характеризуетсяповышеннымсопротивлением).

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к p-n- переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупро- водника к р-полупроводнику (рис. 32.13, а), т.е. совпадает с по-

344

лем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов

вn-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-n-перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-п-переход практически не проходит. Ток

взапирающем слое в запирающем направлении образуется лишь за счет неосновных носителей тока (электронов в р- полупроводнике и дырок в n-полупроводнике).

Рис. 32.13

Если приложенное к р-п-переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 32.13, б), то оно вызывает движение электронов в п-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-n-перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь р-п-переход в направлении от р-полупроводника к n-полупроводнику, оно называется про-

пускным (прямым).

Таким образом, р-п-переход обладает односторонней проводимостью.

345

На рис. 32.14 представлена вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Как уже указывалось, при пропускном (прямом) напряжении внешнее электрическое поле способствует движению основных носителей тока к границе р-п- перехода (см. рис. 32.13, б). В результате толщина контактного слоя уменьшается. Соответственно уменьшается и сопротивление перехода (тем сильнее, чем больше напряжение), а сила тока становится большой (правая ветвь на рис. 32.14). Это направление тока называется прямым.

При запирающем (обратном) напряжении внешнее электрическое поле препятствует движению основных носителей тока к границе р-п-перехода (см. рис. 32.13, а) и

U, В способствует движению неосновных носителей тока, концентрация которых в полупроводниках невелика. Это приводит к увеличению толщины контактного слоя, обедненного основными носителями тока. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода. По-

этому в данном случае через p-n-переход протекает только небольшой ток (он называется обратным), полностью обусловленный неосновными носителями тока (левая ветвь на рис. 32.14). Быстрое возрастание этого тока означает пробой контактного слоя и его разрушение. При включении в цепь переменного тока р-n-переходы действуют как выпрямители.

32.5. Полупроводниковые диоды и триоды

Односторонняя проводимость контактов двух полупроводников (или металла с полупроводником) используется для выпрямления и преобразования переменных токов. Если имеется один электронно-дырочный переход, то его действие аналогично действию двухэлектродной лампы – диода.

346

Выпрямителем называется устройство, состоящее из двух различных металлических электродов, между которыми заключен слой полупроводника, и обладающее тем свойством, что его сопротивление зависит как от величины, так и от полярности приложенного к нему напряжения. Иногда это свойство называют вентильным.

Типичными примерами полупроводниковых выпрямителей являются германиевые и кремниевые выпрямители. В них исполь- зуетсясвойствоодностороннейпроводимостиp-n-перехода.

Вольт-амперная характеристика диода выражает зависимость тока, протекающего через диод, от величины и полярности приложенного к нему напряжения (рис. 32.15, где 1 – при нормальной температуре, 2 – при повышенной, 3 – при пониженной).

Iпр, мкА

1 2 3

Рис. 32.15

Ветвь, расположенная в первом квадрате, соответствует прямому (пропускному) значению тока, а в третьем квадрате – обратному (закрытому). Чем круче и ближе к вертикальной оси прямая ветвь и чем ближе к горизонтальной обратная ветвь, тем лучше выпрямительные свойства диода. При достаточно боль-

347

шом обратном напряжении у диода наступает пробой, т.е. резко возрастает обратный ток. Нормальная работа диода в качестве элемента с односторонней проводимостью возможна лишь в режимах, когда обратное напряжение не превышает пробивного.

Токи диодов зависят от температуры (см. рис. 32.15). Прямые ветви (кривые 1 и 2) характеристик диодов некоторых типов могут пересекаться в области больших токов. Если через диод протекает постоянный ток, то при изменении температуры, напряжение на диоде падает приблизительно на 2 мВ/град. При увеличении температуры обратный ток увеличивается в 2 раза у германиевых и 2,5 раза у кремниевых диодов на каждые 10 градусов. Пробивное напряжение при повышении температуры понижается.

Диоды подразделяются на выпрямительные – для схем выпрямления; высокочастотные – для использования в качестве ключевых элементов; стабилитроны – для стабилизации уровня напряжения; варикапы – диоды, электроемкость перехода которых можно изменять в широких пределах; транзисторы – переключающие диоды и т.д.

Полупроводниковые диоды во многих отношениях лучше ламповых: они прочны, имеют большой срок службы, значительно меньшие габариты и потребляют меньше энергии. Типичная зависимость тока через выпрямитель от приложенного напряжения изображена на рис. 32.14.

Направление тока, соответствующее малому сопротивлению, называется прямым или пропускным. Противоположное направление тока, соответствующее большему сопротивлению, называется обратным или запорным. В зависимости от направления тока напряжения и сопротивления называются прямыми или обратными.

Кривая на рис. 32.14 отражает нелинейность зависимости тока от величины напряжения, как в прямом, так и в обратном направлениях, а также несимметричность характеристики относительно направления тока или напряжения. Нелинейность

348

вольт-амперной характеристики обусловлена зависимостью сопротивления полупроводника от приложенного напряжения. Зависимость сопротивления выпрямителя от напряжения изображена на рис. 32.16.

Свойства выпрямителя часто характеризуются коэффициентом выпрямления α – отношения прямого тока Iпр к обратному Iобр, которые измерены при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях:

Iпр .

Iобр

Полупроводниковые триоды. р-п-переходы обладают не только прекрасными выпрямляющими свойствами, но могут быть использованы также для усиления, а если в схему ввести обратную связь, то и для генерирования электрических колебаний. Приборы, предназначенные для этих целей, получили название полупроводниковых триодов или транзисторов. Первый транзистор создан в 1949 году американскими физиками Д. Бардином, У. Браттейном и У. Шокли (Нобелевская премия 1956 г.).

Для изготовления транзисторов используются германий и кремний, так как они характеризуются большой механической прочностью, химической устойчивостью и большей, чем в других полупроводниках, подвижностью носителей тока. Полупроводниковые триоды делятся на точечные и плоскостные. Первые значительно усиливают напряжение, но их выходные мощности малы из-за опасности перегрева (например, верхний предел рабочей температуры точечного германиевого триода лежит в пределах 50–80 °С). Плоскостные триоды являются более мощными. Они могут быть типа р-п-р и типа п-р-п в зависимости от чередования областей с различной проводимостью.

349

Для примера рассмотрим принцип работы плоскостного триода р-п-р, т.е. триода на основе n-полупроводника (рис. 32.17). Рабочие «электроды» триода, которыми являются база (средняя часть транзистора), эмиттер и коллектор (прилегающие к базе с обеих сторон области с иным типом проводимости), включаются в схему с помощью невыпрямляющих контактов – металлических проводников. Между эмиттером и базой прикладывается постоянное смещающее напряжение в прямом направлении, а между базой и коллектором – постоянное смещающее напряжение в обратном направлении. Усиливаемое переменное напряжение подается на входное сопротивление Rвх, а усиленное снимается с выходного сопротивления Rвых.

Рис. 32.17

Протекание тока в цепи эмиттера обусловлено в основном движением дырок (они являются основными носителями тока) и сопровождается их «впрыскиванием» – инжекцией в область базы. Проникшие в базу дырки диффундируют по направлению к коллектору, причем при небольшой толщине базы значительная часть инжектированных дырок достигает коллектора. Здесь дырки захватываются полем, действующим внутри перехода (притягиваются к отрицательно заряженному коллектору), и из-

меняют ток коллектора. Следовательно, всякое изменение тока в цепи эмиттера вызывает изменение тока в цепи коллектора.

350