ЭЛЕКТРОНИКА

Электропроводность полупроводников

Полупроводники — вещества, например, кремний, германий, селен, закись меди, проводимость которых значительно меньше, чем у металлов, но значительно больше, чем у диэлектриков. Кремний и германий — основные полупроводниковые материалы, обнаруживают свойства полупроводников при очень высокой степени химической чистоты. Они относятся к четырехвалентным элементам, т.е. имеют на внешней электронной оболочке каждого атома четыре валентных электрона, которые могут вступать в связи с соседними атомами. Кристалл германия построен таким образом, что каждый из четырех валентных электронов связан с одним из соседних атомов. Посредством этих связей у германия образуется кристаллическая решетка, такая же, как у алмаза. Каждые два соседних атома кристаллической решетки связаны между собой двумя валентными электронами (рис. 1).

Рис. 1. Схема связей в кристаллической решетке германия

С увеличением температуры вещества такие связи вследствие увеличения тепловых колебаний могут разрушаться, и электроны становятся свободными. Этих электронов с их отрицательными зарядами будет недоставать у отдельных атомов германия, каждый из которых соответственно имеет положительный элементарный заряд. Дефицит электронов у атома может покрываться за счет соседних связей, что приводит к перемещению дефектного места — дырки, которая перемещается от атома к атому, совершая неупорядоченное движение, подобное движению свободных электронов. Этот процесс эквивалентен движению положительного элементарного заряда по тому же пути. Внешнее электрическое поле действует на дырку в направлении поля, так же, как на положительный заряд, ускоряя ее перемещение. Таким образом, в полупроводниках имеются два различных типа проводимости — проводимость за счет перемещения свободных электронов и проводимость за счет перемещения дырок. Первая из них называется проводимостью n-типа, или электронной проводимостью, вторая — проводимостью р-типа, или дырочной проводимостью.

Путем внесения в полупроводник малых количеств примесей элементов третьей (бор, индий) или пятой (мышьяк, сурьма) группы имеется возможность влиять на величину и характер проводимости.

Примеси третьей группы называют акцепторами, или приемниками электронов. Полупроводники с такими примесями, характеризующиеся дырочной проводимостью, называют полупроводниками р-типа. После перемещения дырки атом примеси будет представлять собой закрепленный в решетке отрицательный ион.

Примеси пятой группы называют донорами, или источниками. Полупроводники с такими примесями, характеризующиеся преобладанием свободных электронов, являются полупроводниками n-типа. После перемещения электрона атом примеси будет представлять собой закрепленный в решетке положительный ион.

Электронно-дырочный переход

Использование большинства полупроводниковых приборов основано на процессах, протекающих на границах соприкосновения двух областей различных типов проводимости.

Предположим, что в полупроводник слева от плоскости соприкосновения введены акцепторные примеси, а справа — донорные (рис. 2).

Носители заряда, определяющие вид проводимости в примесном полупроводнике, называются основными (дырки в р-полупроводнике и электроны в n-полупроводнике), а носители заряда противоположного знака — неосновными. Дырки будут диффундировать слева направо из области р в область п. Свободные электроны будут диффундировать в противоположном направлении. В итоге слева от плоскости соприкосновения образуется избыточный отрицательный заряд, а справа — избыточный положительный заряд. Вследствие рекомбинации электронов и дырок в близлежащих к плоскости соприкосновения областях не будет ни дырок, ни свободных электронов, избыточный заряд по существу будет создаваться слева отрицательными ионами акцептора, а справа — положительными ионами донора. В месте р-п перехода возникает электрическое поле Е, направленное справа налево и препятствующее дальнейшей диффузии дырок и электронов. Между областями р и п образуется разность электрических потенциалов, т.е. возникает так называемый потенциальный барьер.

Рис. 2. Схема р-п перехода:—отрицательные ионы акцепторов; — положительные ионы доноров;— электроны;— дырка

Если к р-п переходу подвести постоянное напряжение, как показано на рис. 3, а, то величина потенциального барьера снизится и основные носители тока (дырки слева и электроны справа) получат возможность проходить через р-п переход. В цепи возникает так называемый прямой ток, который возрастает с увеличением напряжения источника питания.

Если к р-п переходу приложить обратное напряжение (рис. 3, б), то потенциальный барьер возрастет на величину этого напряжения, и основные носители тока не смогут проходить через плоскость раздела двух полупроводников. Однако ток не будет полностью отсутствовать.

Кроме основных носителей тока, вызванных наличием примесей, в р и п областях имеются в небольшом количестве так называемые неосновные носители тока, имеющие знаки зарядов, противоположные знакам зарядов основных носителей, а именно: в области р присутствуют в небольшом количестве свободные электроны, а в области п — дырки. Очевидно, что эти неосновные носители тока свободно проходят через потенциальный барьер, так как электрическое поле здесь не препятствует, а способствует их прохождению. Они образуют так называемый обратный ток. С увеличением обратного напряжения обратный ток быстро достигает своего предельного значения, определяемого числом электронно-дырочных пар, порождаемых в образце в единицу времени. Обратный ток во много раз меньше прямого.

Если напряжение в непроводящем направлении увеличивать далее, то при определенном значении напряжения обратный ток резко возрастает. В этом случае в переходном слое отрываются от атомов валентные электроны, что еще больше увеличивает число электронов проводимости. Это явление используется в специальных диодах — стабилитронах.

Рис. 3. Включение р-n перехода на постоянное напряжение