2.1 Примесная проводимость полупроводника
В электронике часто применяются полупроводники, у которых часть атомов основного вещества замещена атомами другого вещества – примесью.
Введение в чистый полупроводник примесей называется легированием.
Легирование резко изменяет свойства полупроводника.
Для легирования используются либо трехвалентные элементы: индий (In), бор (В), алюминий (Al); либо пятивалентные: фосфор (Р), сурьма (Sb), мышьяк (As), т.е. валентность примеси должна отличаться от валентности основного вещества на единицу.
2.1.1 Донорная (электронная) проводимость
Если к четырехвалентному чистому полупроводнику добавить пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона атома примеси будут взаимодействовать с 4-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя прочные четыре ковалентные связи. Пятый валентный электрон атома примеси оказывается лишним – ему не хватает пары.
Этот пятый электрон слабо связан с атомом, поэтому уже при комнатной температуре (получив тепловую энергию) легко отрывается от атома и становится свободным (переходит в ЗП).
Атом примеси при этом ионизируется – становится положительным ионом.
При комнатной температуре все атомы примеси ионизированы.
При этой же температуре часть валентных электронов атомов чистого полупроводника может перейти из ВЗ в ЗП и стать свободными. В ВЗ при этом образуются дырки, т.е. происходит процесс генерации.
Таким образом, при комнатной температуре в примесном полупроводнике происходит два процесса: ионизация (участвуют атомы примеси) и генерация (участвуют атомы чистого полупроводника).
Причем, ионизация преобладает над генерацией, т.к. в процессе ионизации участвуют все атомы примеси, а в процессе генерации участвует только часть атомов чистого полупроводника.
Пятивалентная примесь называется донорной (от слова «донор» - отдать) или электронной, т.к. основными носителями заряда (ОНЗ) в этом полупроводнике являются электроны. Дырки в этом полупроводнике будут являться неосновными носителями заряда (ННЗ), т.к. их концентрация мала.
Полупроводник с электронной проводимостью называется донорным полупроводником или полупроводником n-типа (буква «n» - первая буква слова negative – отрицательный).
2.1.2 Акцепторная (дырочная) проводимость
Примеси трехвалентных элементов, позволяющие получить полупроводник с дырочной проводимостью, называются акцепторными.
Введем в чистый полупроводник трехвалентную (акцепторную) примесь.
При этом 3 валентных электрона атома примеси взаимодействуют с 3-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя три прочные ковалентные связи. Четвертая ковалентная связь оказывается неполной – для нее не хватает электрона примеси, а значит, на этом месте образуется дырка.
Эта дырка может быть заполнена валентным электроном из соседней ковалентной связи, но тогда возникнет дырка в другом месте. Таким образом, проводимость в данном случае будет дырочной, а полупроводник –акцепторный или полупроводник p-типа (буква «p» - первая буква слова positive – положительный).
Валентный электрон, заполнивший дырку, ионизирует атом примеси – возникает отрицательный ион.
Как и в предыдущем случае, при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы.
Кроме процесса ионизации, при комнатной температуре всегда имеет место процесс генерации, в котором участвуют атомы чистого полупроводника (часть валентных электронов этих атомов переходят из ВЗ в ЗП и становятся свободными, а на месте ушедших электронов образуются дырки).
Аналогично предыдущему примеру, процесс ионизации преобладает над процессом генерации.
Для электронной и дырочной проводимости справедливо:
Концентрация
ОНЗ
Концентрация
ННЗ
Концентрация
ионов примеси
Если
концентрация примеси в полупроводнике
очень большая (высокая степень легирования)
и достигает значения
,
такой полупроводник называется
вырожденным.
По
своим свойствам вырожденные полупроводники
приближаются к проводникам, у которых
концентрация электронов достигает
значений
Обозначение вырожденных полупроводников:
полупроводник
типа
или полупроводник
типа
2.2 Токи в полупроводниках
В полупроводнике электрический ток может быть вызван двумя причинами:
-
Электрическим полем.
-
Разностью концентраций носителей заряда.
2.2.1 Дрейфовый ток
Рассмотрим первую причину.
Направленное движение носителей заряда (НЗ) под действием электрического поля называется дрейфовым током.
Если к полупроводнику подключить источник постоянного напряжения, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки начнут перемещаться в противоположных направлениях (электроны будут двигаться к плюсовой клемме источника питания, т.е. в сторону, противоположную направлению поля, а дырки – к минусовой, т.е. по направлению поля) – возникнет дрейфовый ток.
полупроводник
Ө
IДР Е
UПИТ
Е – напряженность электрического поля
За направление тока принято считать направление движения дырок.