4.2. Фізичні основи роботи напівпровідникових пристроїв

Основу сучасної промислової електроніки утворюють напівпровідникові прилади, виготовлені на базі германія, кремнію та інших хімічних елементів. Напівпровідникові хімічні елементи відносяться до четвертої групи таблиці Менделєєва і у чистому вигляді мають високий питомий електричний опір, що наближає їх за електропровід­ністю до діелектриків. Значення питомого електричного опору чистих напівпровіднико­вих матеріалів лежать у діапазоні від 0,65 Ом • м (германій) до 10⁸ Ом • м (селен), що перевищує питомий опір міді приблизно в 35 • 10⁶ і 55 • 10¹³ раз. Введення до чистого напівпровідника невеликої кількості домішок (наприклад, один атом домішки на мільйон, атомів напівпровідника) різко збільшує електропровідність такого матеріалу. В залежності від концентрації домішок напівпровідникові матеріали можуть мати питомий опір у межах 10^-5-10² Ом • м, що в 600-6000 • 10⁶ раз більше питомого опору міді. Дозуючи концентрації домішок, можна отримати напівпровідникові матеріали з різними значеннями питомого електричного опору, який можна змінювати в широкому діапазоні. Такі напівпровідники за своїми електропровідними властивос­тями займають проміжне положення між металами та діелектриками.

Якщо до чистих напівпровідників (германію, кремнію) ввести домішки речовини п'ятої групи таблиці Менделєєва (фосфор, миш'як або сурму), то вже в умовах кімнатної температури атоми домішки легко іонізуються, віддаючи п'ятий електрон, тому що вони знаходяться в оточенні чотиривалентних атомів. В матеріалі виникають вільні електрони, а у вузлах кристалічної ґратки утворюються нерухомі додатні заряди — іони домішок. Такі матеріали, в яких основними носіями зарядів є електрони, називають напівпровідни­ками n-типу, а домішки, завдяки яким утворюються вільні електрони - донорними.

Внесення до напівпровідникового матеріалу домішок третьої групи (алюмінію, бору, індію) приводять до утворення так званої діркової електропровідності. Атоми таких домішок легко забирають на свої локальні енергетичні рівні електрони з валентної зони атомів основного матеріалу. Внаслідок цього виникає від'ємний іон домішки, а на місці обірваного валентного зв'язку основного атома - додатній заряд, так звана дірка. Такі домішки називають акцепторними, а напівпровідники, в яких основними носіями зарядів є дірки - напівпровідниками р-типу.

Основне значення для роботи напівпровідникових приладів має електронно-дірковий перехід, який являє собою зону на межі двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший - діркову електропровідність. Такий перехід називають р - n-переходом. Утворюють р - n-перехід, наприклад, внесенням донорної домішки до певної частини напівпровідника р-типу.

Розглянемо схематично місце стикання напівпровідникових шарів п і р-типу. Вільні електрони напівпровідника n-типу заповнюють вільні рівні у валентній зоні напівпровід­ника р - типу, тобто заповнюють у ній дірки. В такий спосіб на межі двох напівпровідників утворюється шар, вільний від рухомих електричних зарядів (рис. 4.1). Такий шар має великий електричний опір і називається запираючим шаром. Його товщина – декілька мікрометрів. Розширенню запираючого шару перешкоджає електричне поле нерухомих іонів домішків з напруженістю Е_зап у р і n зонах. Напрям цього поля такий, що воно перешкоджає пересуванню основних носіїв зарядів через запираючий шар. Якщо до напівпро­відникового кристалу прикласти зовнішню напругу так, як це показано на рис. 4.2, а ("+" до структури n - типу і "-" до структури р - типу), то вона створить у запираючому шарі електричне поле напруженістю Е_зовн, яке співпадає з напрямком поля нерухомих іонів Е_зап. Це приводить до розширення запираючого шару (рис. 2.2, а), збільшення опору р – n переходу. Струм через нього дуже малий, оскільки він створюється не основними носіями зарядів, тобто електронами в р-шарі і дірками n-шарі. Цей струм називають зворотним, а р - n-перехід у такому стані - закритим.

Рис. 4.1 Схема p-n переходу

Рис. 4.2 Схеми вмикання p-n переходу

Якщо змінити полярність зовнішньої напруги (рис. 4.2, б), то зовнішнє поле буде спрямоване назустріч запираючому, запираючий шар стає вужчим і, при наявності напруги 0,3 + 0,5 В опір р - п переходу різко зменшується і виникає відносно великий струм. Повна вольт-амперна характеристика (ВАХ) р - п- переходу показана на рис. 4.3. Вона є суттєво нелінійною. На ділянці 1 Е_зовн<Е_зап і прямий струм малий. На ділянці 2 Е_зовн>Е_зап, p - n-перехід відкритий і струм обмежено лише опором самого напівпровід­ника. На ділянці 3 існує лише зворотний струм за рахунок наявності невеликої кількості не основних носіїв зарядів, тобто електронів в р – зоні і дірок в п – зоні. Із збільшенням зворотної напруги Е_зовн стає такою великою, що неосновні носії починають рухатися з великою швидкістю, достатньою для лавиноподібного розмноження носіїв зарядів - електронів і дірок. Цей вид пробою р - n-переходу називають лавинним.

Рис. 4.3 Вольт-амперна характеристика p-n переходу

Властивості чистих та легованих напівпровідників, а також р – n – переходу використовують в двохелектродних напівпровідникових приладах - резисторах та діодах. У більш складних приладах - транзисторах і тиристорах - використовують електричні властивості, які утворюються взаємодією декількох р - п-переходів.