Примесная проводимость

Введение примеси в полупроводник сильно влияет на его проводимость. Различают два типа примеси: донорную и акцепторную.

Донорная примесь. Такой примесью могут являться атомы V группы таблицы Менделеева (фосфор, мышьяк, сурьма), имеющие по 5 электронов на внешней оболочке, т.е. на один электрон больше, чем у атомов полупроводника. Атомы примеси, попадая в кристаллическую решетку, замещают один из атомов полупроводника. Такой случай изображен на рис.2. Четыре валентных электрона атома примеси участвуют в ковалентной связи с соседними атомами полупроводника, пятый же валентный электрон атома примеси остается свободным. Таким образом, введение в полупроводник примеси, состоящей из атомов V группы таблицы Менделеева, будет приводить к увеличению концентрации свободных электронов в полупровод-нике. Следует отметить, что в полупро-воднике, содержащем донорную примесь, кроме свободных электронов имеются также и дырки, если температура кристалла отлична от абсолютного нуля. На практике в полупроводник вводится такое количество донорной примеси, чтобы концентрация свободных электронов была много больше концентрации дырок. Такие примесные полупро-водники называют полупроводниками nтипа. Электроны в полупроводниках с донорной примесью являются основными носителями, а дырки  неосновными.

Акцепторная примесь.Такой примесью могут являться атомы ш

3

группы таблицы Менделеева (бор, галлий, индий), имеющие по 3 валентных электрона на внешней оболочке, т.е. на один электрон меньше, чем у атомов полупроводника. На рис.3 показана кристаллическая решетка полупровод-ника с атомами акцепторной примеси.

Из рисунка видно, что трех валентных электронов атома примеси недостаточно для образования ковалентной связи с четырьмя соседними атомами полупроводника. То есть, введение в полупроводник трехвалентных атомов примеси приводит к возрастанию в нем концентрации дырок. Такие примесные полупроводники называются полупро-водниками pтипа. Основными носителями в них являются дырки, а неосновнымиэлектроны.

Сточки зрения зонной теории полупроводников введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня, называемого примесным. Причем для донорной примеси, вследствие слабой связи избыточного электрона с атомом, этот уровень, называемый донорным, расположен вблизи дна свободной зоны (рис.4а).

Для акцепторной примеси в запрещенной зоне появляется уро-вень, называемый акцеп-торным, который рас-положен вблизи потол-ка валентной зоны (рис.4б).

P-n переход. Полупроводниковый диод

pn переход можно получить сплавлением материалов с различным типом проводимости или выращиванием его в специальной газовой среде. На рис.5 изображен pn  переход. Здесь показаны только примесные атомы, то есть акцепторные атомы слева и донорные атомы справа от перехода.

4

Здесь же показаны дырки и электроны, внесенные примес-ными атомами. Атомы основного материала на этом рисунке не показаны.

Вследствие разности кон-центрации электронов и дырок слева и справа от перехода происходит диффузия электронов из nобласти в pобласть и дырок из pобласти в n-область полупроводника. Из рисунка видно, что примесные атомы вблизи границы перехода лишены дырок и электронов, так как электроны и дырки в результате диффузии пересекли границу перехода и рекомбинировали, то есть свободные электроны заняли места нарушенных валентных связей  дырок. В результате образуется слой атомов, не имеющий свободных носителей заряда, называемый обедненным слоем. В обедненном слое существует поле Е_к, образованное объемным зарядом: отрицательным в pобласти и положительным в nобласти. Это электрическое поле препятствует дальнейшему движению электронов и дырок через переход, т.е. на пути движения электронов и дырок возникает потенциальный барьер.

На рис.6а показан pnпереход. Заштрихованная область соответствует обедненному (запирающему) слою.

Если на переход подать напряжение, как это показано на рис.6 б, то обедненный слой сузится, так как на внутреннее электрическое поле Е_К наложится поле батареи Е_Б, направленное в противоположную сторону. При этом потенциальный барьер понижается и через pnпереход возможно движение свободных носителей заряда. Такое включение pnперехода называется прямым. При обратном включении, то есть способом указанном на рис.6в, обедненный слой расширяется, так как внешнее и внутреннее

5

поля складываются. При этом потенциальный барьер повышается и ток через pn переход практически равен нулю. Следует отметить, что незначительный ток через pnпереход существует и в последнем случае. Этот ток обусловлен движением через pnпереход неосновных носителей, т.е. электронов из p в nобласть и дырок из n в робласть. Концентрация неосновных носителей в полупроводнике зависит от температуры, следовательно, и обратный ток через рn переход зависит от температуры.

Устройство, содержащее один рnпереход, называется полупроводниковым диодом. На электрических схемах диод обозначается следующим образом:.

Положительный вывод называется анодом, отрицательный ­катодом. Для тока I, протекающего через тонкий рnпереход справедливо следующее выражение:

(1)

где q  заряд электрона; k  постоянная Больцмана; Т  абсолютная температура; I_o  обратный ток насыщения (ток, обусловленный неосновными носителями).

На рис. 7 показана вольт амперная характеристика полупровод-никового диода (масштаб по вертикальной оси для отрицательных значений в 1000 раз больше, чем для положительных).

Уже при сравнительно небольших отрицательных напряжениях обратный ток достигает тока насыщения I_o. С увеличением обратного напряжения не происходит увеличения тока, так как число неосновных носителей, которыми он обусловлен, определяется лишь температурой и не зависит от приложенного извне напряжения, если оно не очень велико. Из рис.7 и выражения (1) ясно, что при одном и том же напряжении, приложенном в прямом и обратном направлении, различие в величине тока будет гигантским. Это свойство диодов используется для выпрямления переменного тока.

Экспериментальная установка

Экспериментальная установка состоит из щита со смонтированными на нем элементами выпрямителя и электроннолучевого осциллографа (рис.8). Из рисунка видно, что в состав выпрямителя входят не только

6

полупроводниковые диоды VD1, VD2, но и конденсаторы С₁и С₂, а также катушка индуктивности (дроссель) L и сопротивление R. Дело в том, что диоды позволяют из переменного тока получить постоянный по направлению ток, но величина этого тока будет изменяться. Для сглаживания пульсаций в выпрямителях применяются специальные фильтры. В нашем случае это будут конденсаторы и дроссель. Осциллограф, который применяется в данной работе, для наблюдения и измерения зависимости величины напряжения от времени. Исследуемый ток, протекая через сопротивление R, будет создавать на нем падение напряжения, пропорциональное силе тока. Это позволяет воспользоваться осциллографом для изучения характера зависимости силы тока от времени.