Власна провідність.

В основі роботи напівпровідникових приладів лежить той факт, що вивільнення електрона супроводжується утворенням дірки, причому дірка не є постійною приналежністю одного атому – при переході на її місце електрона з сусіднього атому вільне місце з’являється тепер в іншому зв’язку, тобто разом з хаотичним рухом вільних електронів здійснюється і хаотичний рух дірок, який супроводжується переміщенням валентних електронів з одного міжатомного зв’язку (ковалентного зв’язку) в інший.

Якщо помістити напівпровідник в електричне поле, в ньому хаотичний рух перетворюється у впорядкований – рух вільних електронів в зоні провідності і рух електронів в валентній зоні, тобто дірок. Тільки направлений рух дірок зворотно руху вільних електронів.

Отже носіями електричного струму в напівпровідниках є як від’ємні заряди – електрони, так і позитивні заряди – дірки (оскільки відсутність від’ємного заряду еквівалентно присутності додатного).

Провідність, що зумовлена рухом електронів, називається електронною і позначається буквою n (n–провідність).

Провідність, що зумовлена рухом дірок, називається дірковою і позначається буквою p (p–провідність).

Домішкова провідність.

Чистий напівпровідник має однакові степені електронної і діркової провідності (в розумінні рівної кількості носіїв одного та іншого типів).

Шляхом внесення в чистий напівпровідник певного домішку можна створити напівпровідник, в якому переважала або n–, або p–провідність.

Домішки, що збільшують електронну провідність, називаються донорними (ті, що віддають).

Для 4–валентних напівпровідників (кремній, германій) донорними домішками є 5–валентні елементи (сурма, миш’як).

Атом донорного домішку займає місце в кристалічній решітці, при цьому чотири його валентні електрони вступають в ковалентні зв’язки з сусідніми атомами кремнію, а п’ятий, облишений ковалентних зв’язків, слабо пов’язаний з ядром і легко звільняється. Отже донорні атоми різко збільшуючи кількість вільних електронів, не збільшуючи кількості дірок, оскільки ковалентні зв’язки атомів домішку заповнені і не перехоплюють електронів з валентної зони сусідніх атомів.

Домішки, що збільшують діркову провідність, називаються акцепторними (ті, що приєднують). Для 4–валентних напівпровідників акцепторними домішком є 3–валентний елемент (індій).

Атом акцепторного домішку, вступаючи трьома своїми валентними електронами в ковалентні зв’язки, залишає місце в одному ковалентному зв’язку незаповненим, тобто утворюється дірка. Внесення акцепторних домішок призводить до утворення дірок і не супроводжується збільшенням числа вільних електронів.

Оскільки будь-який напівпровідник має власну провідність, в ньому крім основних носіїв, є невелика частка неосновних. Інакше кажучи в напівпровіднику n–типу є велика кількість вільних електронів (тут вони – основні носії) і невелика кількість дірок (неосновні носії), а в напівпровіднику p–типу – навпаки.

Властивості p-n переходу.

В основі роботи сучасних напівпровідникових приладів лежать явища, що відбуваються в області електричного контакту провідників і напівпровідників із різною провідністю.

Найбільше розповсюдження в напівпровідниковій техніці і мікроелектроніці отримали контакти типу напівпровідник–напівпровідник.

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність n–типу, а інша p–типу, називають електронно–дірковим, або р-n переходом.

Електронно–дірковий перехід не можна створити простим дотиком пластин n- і p–типу, оскільки при цьому неминучий проміжний шар повітря, окислів або поверхневих забруднень. Ці переходи отримують сплавленням або дифузією відповідних домішок в пластинки монокристалу напівпровідника, а також шляхом вирощування р-n переходу із розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок.

Якщо на кристал кремнію, обробленого миш’яком (тобто такий кристал матиме n–провідність), наплавити шматок індію, то частина атомів індію внаслідок дифузії проникне в товщу кристалу і в ньому утворяться області з різним типом провідності.

Внаслідок різної концентрації електронів в шарах p і n буде відбуватись їх дифузія з області n в область p. Аналогічно буде відбуватись дифузія дірок з області p в область n.

Завдяки дифузії основних носіїв порушується електрична нейтральність в напівпровіднику: область p здобуває від’ємний, а область n – додатний заряд. Між областями виникає електричне поле з різницею потенціалів близько 0,35 В у германієвому і 0,65 В у кремнієвому напівпровідниках. Ця різниця потенціалів – потенціальний бар’єр – вже перешкоджає дифузії основних носіїв, але для неосновних носіїв утворене поле є прискорюючим, внаслідок чого виникає рух електронів з p-області в n-область і рух дірок в протилежному напрямку.

Рух носіїв, зумовлений різницею концентрацій, називається дифузійним струмом, а рух носіїв під дією електричного поля – дрейфовим струмом.

Між дрейфовим і дифузійним струмами при певному потенціальному бар’єрі існує динамічна рівновага, так що сумарний струм через p-n перехід дорівнює нулю.

Ці явища відбуваються при утворені p-n переходу.

Розглянемо тепер явища, що відбуваються в p-n переході при підведені до нього зовнішнього електричного поля.

При підключені “+” до шару n, а “–” до шару p (таке включення називається зворотним) зовнішня напруга буде діяти згідно з потенціальним бар’єром. Оскільки опір безпосередньо області переходу набагато більший іншої частини напівпровідника, то саме в зоні переходу потенціальний бар’єр збільшується на значення зовнішньої напруги.

В цьому випадку дифузійний перехід носіїв ще більш утруднюється і навіть при відносно невеликій зовнішній напрузі дорівнює нулю.

Значення же дрейфового струму від зовнішньої напруги не залежить і обмежується швидкістю генерації неосновних носіїв, яка визначається t.

На рис. показана вольт–амперна характеристика (ВАХ) p-n переходу (Звернути увагу на масштаби на осях !!!).

При зворотному включені (ліва частина графіка) струм через перехід з’являється при подачі напруги і, досягнувши значення струму насичення, обумовленого дрейфом неосновних носіїв, залишається незмінним ( –0,2 mA). Однак при більших значеннях зворотної напруги рухомі електрони здобувають більші швидкості і, вдаряючись об атоми, викликають ударну іонізацію. Крім того, під дією сильного електричного поля частина електронів з валентної зони переходить в зону провідності. Ці процеси збільшуються лавиноподібно і призводить до різкого збільшення струму через p–n перехід – його електричного пробою. Внаслідок збільшення струму збільшується t, енергія електронів збільшується, що в свою чергу полегшує їх перехід з валентної зони в зону провідності – виникає так званий тепловий пробій. Якщо не включити в коло p–n переходу обмежувальний опір, напівпровідник може перегрітись і вийти з ладу.

При прямому включені “+” – до шару р, а “–” – до шару n із підвищенням прямої напруги U потенціальний бар’єр зменшується, а потім зовсім зникає. При U > U_бар поле вже є прискорюючим для основних носіїв і струм через перехід стрімко збільшується (права частина графіку). Процес введення носіїв заряду через електронно-дірковий перехід при зменшені потенціального бар’єру в область напівпровідника, де ці носії заряду є неосновними, називається інжекцією (англ. inject – впорскувати, вводити).

Отже p–n перехід має властивості вентиля – в прямому напрямку опір його дуже малий, а в зворотному практично нескінчений.

P–n перехід може нормально працювати тільки в невеликому діапазоні температур. При дуже низьких температурах (< 60 C) електрони донорних атомів не можуть здолати навіть ту вузеньку заборонену зону, яка відділяє їх від зони провідності основного напівпровідника, тому в ньому практично відсутні основні носії.

При високих температурах енергія електронів валентної зони основних атомів достатня для переходу в зону провідності і напівпровідник перетворюється в звичайний провідник, при цьому втрачаються його вентильні властивості і струм через перехід різко збільшується. В наслідок чого виникає подальшій розігрів напівпровідника. Процес лавиноподібно наростає, що призводить до розплавлення і виходу з ладу напівпровідникового пристрою.