3. Понятие «дырки». Полупроводники р- и n-типа

Пусть рассматривается полупроводник, характеризуемый зонной диаграммой:

Валентные при нормальных условиях переходят в зону проводимости.

Рассмотрим одномерную цепочку электронов:

период решетки = а, энергетические уровни атомов отделены потенциальными барьерами.

Если электрон переходит в зону проводимости на энергетическом уровне атома (в валентной зоне) появляется свободное место, но в этом случае нет тока. На его место может перейти из соседнего атома – туннельный переход. При нагреве ток не появляется, так как перемещение компенсируется.

При наложении внешнего поля движение становиться упорядоченным ( из 3 в 2, из 4 в 3). Получается прерывистое движение , но движение дырки непрерывно. Свободный энергетический уровень имеет положительный заряд и движется с ускорением, и следовательно имеет массу, т. е. становиться подобен квазичастице.

Дырки (p) бывают легкими и тяжелыми. Концентрация свободных электронов (n) и дырок: n=p.

Полупроводник в котором концентрация свободных электронов равна в любой момент концентрации дырок, называется собственным полупроводником, в токе принимают участие электроны и дырки.

Примесные полупроводники или полупроводники p-типа.

Ge - 4 валентные

In – 3 валентные

Один , принадлежащий Ge, не принимает участия в образовании связи.

Атом In способен к ионизации, т. е. несвязанный захватывается индием.

Примесный уровень располагается вблизи потолка валентной зоны.

1 атом примеси на 10⁶ атомов Ge существенно влияет на свойства проводника.

Перемещение из валентной зоны на примесный уровень приводит к образованию дырки.

Ион примеси не принимает участия в токе. В случае примесного полупроводника p>>n – концентрация дырок много больше, чем .

Полупроводник, в котором атомы примеси принадлежат к III группе элементов и для которого справедливы энергетические диаграммы, называется полупроводником p – типа, дырочным.

Основной носитель заряда – дырки.

1.

2.

3.

Электронный полупроводник или полупроводник n-типа.

Фосфор P – 5 валентных , один не участвует в образовании связи.

При разрыве связи попадает в зону проводимости и принимает участие в токе.

Примесный уровень располагается рядом с дном зоны проводимости.

Ионизированный атом P – локализирован. Электрический заряд жестко связан с кристаллической решеткой.

1.

2.

3.

Полупроводник включающий примеси атомов принадлежащих к 5 группе элементов и имеющий в качестве основного носителя тока электроны – называется полупроводником n-типа, или электронным полупроводником.

4. Полупроводниковые диоды.

Полупроводниковый диод 1.Физическая модель р-n переход.

 

            Пусть имеются два полупроводника

        

1. На границе раздела двух сред  p-n полупроводников возникает двойной электронный слой с внутренним электрическим полем, препятствующим переходу дырок и электронов (основных носителей заряда).

2. Область двойного электронного слоя принято называть запорным слоем препятствующим переходу основных носителей заряда, его сопротивление стремится к бесконечности.

3. Запорный слой принято называть p-n переходом.

Полупроводниковый диод (ППД) представляет собой двухэлектродный полупроводниковый прибор, характеризующийся высокой проводимостью при прямом включении и низкой проводимостью при обратном включении. ППД реализуется на основе p-n структуры или структуры металл-полупроводник. В настоящее время на основе p-n структуры и её модификаций разработаны различные типы полупроводниковых диодов различного функционального назначения с различными ВАХ, свойствами и параметрами. К ним относят:

1. выпрямительные диоды общего назначения -

2. туннельные диоды -

3. обращенные диоды -

4. стабилитроны - и

5. варикапы -

6. тиристоры - и

7. светодиоды -

8. фотодиоды -

а – выпрямительный ППД; б – туннельный ППД; в - тиристор диодный.

Рассмотрим включение ППД в электрическую цепь (рис. 11).

Пусть нам известно сопротивление R и значение E – источника питания. Тогда для рассматриваемой электрической цепи можно записать:

Полученное уравнение есть уравнение, описывающее прямую линию, для которой достаточно определить координаты 2-х точек и построить ее. Сделаем это:

I_д=0, тогда Е=U_д

U_д=0, тогда I_д=E/R_H

ППД предполагается идеальным. При прямом включении R_д=0, обратном включении – R_д= ∞. Пусть нам известна ВАХ полупроводникового диода. Наложим на нее прямую, получим (рис.12):

Рис.12

Пересечение прямой и ВАХ – точка А, позволяет определить падение напряжения на ППД – U_д0 и ток диода I_д0. Построенная прямая представляет нагрузочную линию. При изменении величины E расчет новой нагрузочной линии дает нам прямую, смещающуюся параллельно исходной линии.

Полупроводниковые диоды находят применение в выпрямительных схемах и схемах ограничения напряжении. Рассмотрим ограничители напряжения. Ограничители напряжения строятся на электронных ключах, а ППД является идеальным электронным ключом, т.к. его обратное сопротивление R _->>R₊ - сопротивления в прямом включении.

Полупроводниковые приборы в настоящее время широко применяются в самых различных областях техники и науки, заменяя электровакуумные приборы. Область применения все время расширяется. Полупроводниковые приборы используются в радиоустановках, устройствах автоматизации и телемеханики, в вычислительных машинах, солнечные батареи и т.д

Преимущества полупроводниковых приборов заключается в их малом весе, объеме, малая потребляемая мощность отсутствие вакуума, большой срок службы.

Недостатки – частотные ограничения, температурные, шумы, разброс параметров.

Классификация полупроводниковых приборов может быть произведена по признаку основных физических процессов, происходящих в приборах (электропроводность - ,n, n = n(T), ширина запрещенной зоны, I = f(u) – в случае контакта, потенциального барьера)