1 Собственная электропроводность.

По своей структуре полупроводники представляют собой совершенную кристаллическую решетку. У полупроводников германия и кремния валентность, как известно 4, что соответствует количеству свободных электронов. В кристаллической решетки они образуют ковалентную связь, что означает – по внешней орбите каждого атома вращаются всего по 8 электронов.Как образуется в такой структуре ток?

Допустим, что какой-то е, получив соответствующую порцию энергии покинул свой атом. Этот электрон оказывается несвязанным и обладает способностью перемещаться по кристаллической решетке свободно. Такие электроны называются электронами проводимости. При этом проводимость п\п наз е. На пустом месте образуется незаполненная связь, возникает некомпенсированный положительный заряд, равный по величине заряду электрона. Пустое место называется дыркой, а проводимость дырочной. Процесс образования свободных электронов и дырок называется генерацией, а обратный процесс- возвращение электронов из зоны проводимости в валентную – рекомбинацией.

В узлах кристаллической решетки рассмотренного полупроводника находятся только собственные электроны и атомы, поэтому принято их называть собственными. У такого чистого полупроводника ток образуется разрушением ковалентной связи. При этом концентрация электронов и дырок устанавливается как результат динамического равновесия двух выше указанных процессов: процесс генерации подвижных носителей и процесс их рекомбинации. По аналогии, проводимость такого полупроводника называется собственной. Она незначительна. Применение в технике собственные полупроводники не нашли.

2. Примесные полупроводники. Полупроводники p,n типа.

Для резкого увеличения проводимости в собственные полупроводники вводят примеси. Полученные при этом полупроводники называются примесными. В качестве примесей часто используют элементы 3 и 5 групп таблицы Менделеева. К трёхвалентным примесям относятся бор, алюминий, галлий, индий; к пятивалентным – фосфор, сурьма, мышьяк.

В качестве примера рассмотрим введение пятивалентной примеси, например сурьмы, в кристаллическую решетку германия.

Как видно, четыре валентных электрона атома примеси образуют с четырьма электронами соседних атомов германия ковалентную связь, а пятый валентный электрон оказывается лишним. Этот электрон не связан ковалентной связью, поэтому значительно слабее взаимодействует с ядром атома, т.е. энергия связи со своим атомом намного меньше, чем энергия, необходимая для освобождения валентного электрона. Поэтому пятый электрон может быть свободным даже при комнатной температуре. Этот электрон способен перемещаться по кристаллической решетке, поэтому проводимость полупроводника резко повышается. Примеси такого рода, которые отдают электроны, называются донорными, или просто донорами. Проводимость в данном случае образуется в основном за счёт отрицательных электронов, поэтому такой полупроводник называется полупроводником с электронной проводимостью (n-типа).

Электроны – основные носители заряда. Дырки – не основные носители заряда.

Движения носителей заряда т.е. ток обуславливается 2 причинами: 1) внешнее поле – ток наз. дрейфовым. 2)разнасть концентраций – ток наз. диффузионным.

В п/п имеется 4 составляющие тока:

i=(i_n)_Д+(i_p)_Д+(i_n)_Е+(i_p)_E

Д-диффузионный Е-дрейфовый

На месте ушедшего электрона остаётся неподвижный положительный ион, который в отличие от дырки не перемещается и в проводимости не участвует.

С точки зрения зонной теории повышение проводимости можно объяснить следующим образом. Энергетический уровень донора находится внутри запрещенной зоны и обогащен электронами. Так как он расположен вблизи зоны проводимости, то для перехода электронов из уровня Ед в зону проводимости потребуется значительно меньше энергии, чем из валентной зоны.

При введении трёхвалентной примеси, например бора в германий, три внешних валентных электрона примеси образуют ковалентную связь с тремя соседними электронами германия, а четвёртая связь остаётся вакантной.

В целом и бор, и германий остаются электрически нейтральными. Однако, что любое возбуждение может привести к тому, что на вакантное место перейдёт электрон из соседних атомов, оставляя за собой дополнительную дырку. При этом образуется дырочная проводимость, а атом примеси, за счёт приобретенного электрона, становится отрицательным неподвижным ионом.

Введенная примесь принимает электрон из соседних атомов, поэтому её называют акцептором. Соответственно полупроводник с акцепторной примесью называется полупроводником с дырочной проводимостью или полупроводником p-типа. В полупроводниках p – типа основными носителями являются дырки, а неосновными – электроны.

4. p-n переход в условиях термодинамического равновесия.

Основная часть полупроводниковых приборов – это p-n переход. p-n переход – это граница раздела между двумя ПП с разным типом электропроводности – p и n.

Мы знаем, в р-области дырок много, а в п-области их мало, и соответственно в п-области электронов много, а в р-области их мало. В результате такой разности концентрации возникает процесс диффузии. В результате чего возникают диффузионные токи дырок и электронов. Эти токи явл. токами основных носителей зарядов. Дырки из р-области переходят в п-область и рекомбинируют с электронами. Также электроны переходят из п-области в р-область и рекомбинируют с дырками. В рез. в р-п переходе образуется слой без подвижных носителей заряда, имеющий большое R, и кот. называется запирающим слоем. В этом слое имеются только отриц. заряды ионов, кот. создают отрицательный заряд –q, и положительный заряд ионов +q. Эти заряды создают эл. поле Eвн, направленное от + к – с отриц. потенциалом в р-области и положит. потенциалом в п-области. Эта разность потенциалов наз. контактной разностью потенциалов.

Эти заряды +q и –q препятствуют дальнейшему прохождению основных носителей ч/з р-п переход. Дырки отталкиваются от +q, а электроны отталкиваются от –q. Т.е. процесс диффузии приостанавливается и Iдиф дальше не растет. Поэтому мы говорим, что в р-п переходе возникает потенциальный барьер для основных носителей. В то же время эти объемные заряды +q и –q своим эл. полем Е действуют ускоряюще на неосновные носители зарядов (электроны из р-области притягиваются к +q, а дырки из п-области к –q). В результате неосновные носители под действием эл. поля Е легко перейдут ч/з р-п переход и создадут дрейфовые токи. Дрейфовые токи – это токи неосновных носителей. В какой-то момент времени дрейфовый и дифф. ток ч/з р-п переход становятся равными и противоположными, тогда Iобщ=Iдр+Iдиф=0.

Энергетическая диаграмма р-п перехода в состоянии термодинамического равновесия.