Полупроводник.

;

Основы физики полупроводников

Электроны и дырки могут упорядоченно перемещаться и называются подвижными носителями заряда.

Возникновение пары электрон-дырка называется генерацией пар носителей. Из-за теплового хаотичного движения происходит обратный процесс, то есть электроны проводимости занимают свободные места в валентной зоне. Объединение с дырками, исчезновение пар носителей называется реабилитацией носителей. Реабилитация и генерация происходит одновременно. Беспримесный полупроводник имеет собственную электропроводность, которая складывается из электронной и дырочной проводимости. Удельная проводимость зависит от концентрации носителей. Ток возникающий в полупроводнике под действием разности потенциалов – называется током проводимости или током дрейфа.

Полный ток складывается из тока электронов и тока дырок.

;

Электроны и дырки движутся противоположно направленно, но токи складываются, т.к. физически движение дырок – это движение электронов в обратную сторону. зависит от концентрации и подвижности носителей.

Подвижность - есть отношение скорости носителей в токе к напряженности поля, которое создает это движение.

Для Германия:

;

;

Если в полупроводнике появляется примесь, то появляется примесная электропроводность: донорная или акцепторная, дырочная или электронная.

Чтобы примесная электропроводность преобладала над собственной, концентрация атомов донорной или акцепторной примеси должна быть гораздо больше концентрации собственных носителей.

Для Германия:

;

;

Носители зарядов, концентрация которых в данном полупроводнике преобладает, называют основными.

Если концентрация примесных электронов гораздо больше концентрации собственных, тогда собственными можно пренебречь. Тогда для примесного полупроводника концентрация электронов равна концентрации дырок.

Если концентрация неосновных носителей уменьшается, то во столько же раз повышается концентрация основных носителей.

Это объясняется тем, что при повышении концентрации электронов проводимости, полученных от донорных атомов, нижние энергетические уровни проводимости оказываются заняты. Тогда в дальнейшем переход электронов из валентной зоны возможен только на более высокие уровни, но для этого электрон должен иметь более высокую энергию.

Диффузия

Помимо дрейфа может быть диффузионный ток, возникающий не из-за разности потенциалов, а из-за разности концентраций носителей.

Если носители распределены равномерно по полупроводнику, то их концентрация называется равновесной, но если в отдельных частях полупроводника концентрация меняется под действием внешних источников, то это неравновесная концентрация, или избыточная.

Диффузионной движение носителей зарядов называется диффузионным током: может быть электронный и дырочный.

P-N переход при отсутствии внешнего напряжения

PN переход имеет несимметричную проводимость, то есть нелинейное сопротивление.

Пусть внешнее сопротивление отсутствует. Т.к. в любом полупроводнике имеется тепловое хаотичное движение электронов, то происходит диффузия носителей зарядов.

В результате диффузии по обе стороны границы возникают объемные заряды разных знаков. В области N - положительный объемный заряд, который образован положительнозаряженными атомами донорной примеси и в малой степени дырками. В области P возникает отрицательный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и пришедшими сюда электронами.

Объемные заряды возникают вблизи границ, а положительный и отрицательный потенциалы создаются одинаковыми по всей области электронами и дырками. В переходе возникает потенциальный барьер, который препятствует диффузионному движению носителей. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем больше концентрация основных носителей, тем большее их число диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и возрастает контактная разность потенциалов, т.е. высота потенциального барьера.

При этом толщина PN перехода уменьшается, т. к. соответственные объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.