16. 2. Вопросы

1. Как чистый германий может поддерживать ток?

2. Когда к чистому германию приложена разность потен­циалов, в каком направлении двигаются электроны и дырки?

3. Что определяет величину тока в чистом полупроводни­ковом материале?

15. 3. Проводимость в легированном германии и кремнии

Чистые полупроводники являются объектом, главным образом, теоретического интереса. Основные исследования полупроводников связаны с влиянием добавления приме­сей в чистые материалы. Если бы этих примесей не было, то большинства полупроводниковых приборов не существо­вало бы.

Чистые полупроводниковые материалы, такие как гер­маний и кремний, содержат при комнатной температуре небольшое количество электронно-дырочных пар и поэто­му могут проводить очень маленький ток. Для увеличения проводимости чистых материалов используется процесс, называемый легированием.

Легирование — это процесс добавления примесей в по­лупроводниковый материал. Используются два типа при­месей. Первая, которая называется пятивалентной, состоит из атомов с пятью валентными электронами. Примерами являются мышьяк и сурьма. Вторая, называемая трехва­лентной, состоит из атомов с тремя валентными электро­нами. Примерами являются индий и галлий.

Когда чистый полупроводниковый материал легирует­ся пятивалентным материалом, таким как мышьяк (As), некоторые атомы полупроводника замещаются атомами мышьяка (рис. 19-6). Атом мышьяка размещает четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с сосед­ними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным.

Атом мышьяка называется донорским атомом, по­скольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится много донорских атомов. Это означает, что для поддержки тока имеется много свободных электронов.

При комнатной температуре количество дополнитель­ных свободных электронов превышает количество элект- ронно-дырочных пар. Это означает, что в материале боль­

ше электронов, чем дырок. Следовательно, электроны на­зываются основными носителями. Дырки называются не­основными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, материал называется полу­проводником п-типа.

Рис. 19-6. Кремний, легированный атомом мышьяка.

Если к полупроводнику n-типа приложено напряжение (рис. 19-7), то свободные электроны, добавленные донор­скими атомами, начнут двигаться по направлению к поло­жительному выводу. Кроме того, к положительному выво­ду начнут двигаться электроны, которые смогут разрушить свои ковалентные связи. Эти электроны, разрушив кова­лентные связи, создадут электронно-дырочные пары. Со­ответствующие дырки будут двигаться по направлению к отрицательному выводу.

Когда полупроводниковый материал легирован трехва­лентным материалом, таким, как индий (In), атомы индия

Рис. 19-7. Ток в полупроводнике п-типа.

Рис. 19-8. Кремний, легированный атомом индия.

разместят свои три валентных электрона среди трех сосед­них атомов (рис. 19-8). Это создаст в ковалентной связи дырку.

Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называют­ся акцепторными.

При обычных условиях количество дырок в таком ма­териале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Поскольку основные носи­тели имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р-типа.

Если к полупроводнику p-типа приложено напряжение, дырки начинают двигаться по направлению к отрицатель­ному выводу, а электроны — по направлению к положи­тельному выводу (рис. 19-9). Кроме дырок, которые созда­ли акцепторные атомы, возникают дырки, образованные из-за разрыва ковалентных связей, создающие электрон­но-дырочные пары.

Полупроводниковые материалы n-типа и p-типа имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые по-

1. Рис. 19-9. Ток в полупроводнике р-типа.

   _t Материал р-типа —^ f Ц,,,,нГ !_

лупроводниковые материалы. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количе­ства примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.