43. Полупроводники. Свойства полупроводниковых материалов. Собственная и примесная проводимость полупроводников.

По свойству электропроводности, т.е. способности проводить электрический ток, все вещества делятся на проводники, диэлектрики и полупроводники. Полупроводниками называются вещества, удельное электрическое сопротивление которых может изменятся в широких пределах и очень быстро убывает с повышением температуры. Типичными широко применяемыми полупроводниками явл. германий Ge, кремний Si и теллур Te.

Полупроводники имеют промежуточные значения проводимости; проводимость полупроводника зависит от условий, в которых он находится (температура, освещенность), от от технологии изготовления данного образца, в частности от наличия и концентрации примесей. Типичными полупроводниками являются элементы четвертой группы таблицы Менделеева кремний и германий.

Кристаллы полупроводников имеют атомную кристаллическую решетку. Электропроводность хим. чистого полупроводника оказывается возможной при разрыве ковалентных связей в кристаллах.

С повышением температуры возрастает число разрывов ковалентных связей и увеличивается количество свободных электронов в кристаллах проводников, т.е. с повышением температуры удельная электропроводность увеличивается. Разрыв ковалентной связи может быть вызван освещением (фотопроводимость) и действием сильных электрических полей.

При разрыве ковалентных связей в полупроводнике электрон уходит со своего места и на его месте возникает положительная дырка, которая ведет себя как положительный по знаку заряд. На это место может переместиться соседний электрон.

Собственная электропроводность полупроводника бывает 2-х видов: 1)обусловленная упорядоченным перемещением дырок (называется собственной дырочной проводимостью или проводимостью p-типа); 2) при разрыве ковалентной связи и появлении свободных электронов (собственная электронная проводимость или проводимость n-типа). Общая удельная электропроводность полупроводника складывается из проводимостей n- типа и р-типа.

Примесной проводимостью полупроводников называется их электропроводность, обусловленная внесением в их кристаллические решетки примесей: атомы или ионы посторонних химических элементов; дефекты и искажения в кристаллической решетки (пустые узлы, трещины, сдвиги, возникающие при деформациях кристаллов и т.д.). Примеси вносят изменение в электропроводность полупроводников. При изменении концентрации примесей изменяется число электронов и дырок. Возможность управления числом носителей тока лежит в основе широкого применения полупроводников в науке и технике. В металлах такая возможность отсутствует. Примеси могут служить дополнительными поставщиками электронов в кристаллы полупроводников. Атомы примесей, поставляющие электроны, называются донорами. Атомы примесей, которые приводят к примесной дырочной проводимости, называются акцепторами.

44. Контактные явления в полупроводниках. Электронно-дырочный переход. Запирающий слой.

При контактировании 2-х полупроводников с различными типами проводимости будет происходить взаимная диффузия (взаимное проникновение веществ в результате беспорядоченного движения их частиц) носителей тока через границу соприкосновения (контакт) полупроводников. Электроны из n-полупроводников будут проникать в дырочный p-полупроводник. В результате из объема n-полупроводника, граничащего с контактом, уйдут электроны, этот объем будет объединен электронами, и вблизи границы в нем образуется избыточный положительный заряд. Диффузия дырок из р-полупроводника по аналогичным причинам приведет к возникновению вблизи границы в р-полупроводнике избыточного отрицательного заряда. В результате на границе электронно-дырочного перехода образуется запирающий электрический слой. Электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление по сравнению с остальными объемами полупроводников.

Область полупроводника, в котором происходит смена проводимости с электронной на дырочную(или наоборот), называется электронно-дырочным переходом (p-n переходом). Обычно p-n переход образуется в кристалле полупроводника, где введением соответствующих примесей создаются области с различной (p- и n-) проводимостью.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего электрического поля.

Если n-полупроводник подключен к отрицательному полюсу источника, а полюс источника соед. с р-полупроводником, то под действием электрического поля электроны и дырки будут двигаться навстречу друг к другу к границе раздела полупроводников. При таком прямом (пропускном) направлении внешнего эл. поля толщина запир.слоя и его сопротивление уменьшается.

Если n-полупроводник соединен с положит. полюсом источника, а p-полупроводник – с отрицательным, то электроны и дырки под действием эл. поля будут перемещаться от границы раздела в противоположные стороны. Это приводит к утолщению запирающего слоя и увеличению его сопротивления. Направление внешнего эл. поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным), в нем эл.ток через контакт n- и p- не проходит

Электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы – диода. Поэтому полупроводник с одним p – n – переходом называется полупроводниковым диодом. Полупроводниковые диоды обладают целым рядом преимуществ перед электронными двухэлектродными лампами. Недостатком полупроводниковых диодов является ограниченный интервал температур, в котором они работаю. (~ от -70^о до +125 ^оС)