Полупроводники

Полупроводниками называют вещества, которые по способности проводить электрический ток занимают промежуточное положение между металлом и диэлектриками. Для изготовления полупроводниковых приборов используют вещества с кристаллической структурой. Исходным материалом наиболее часто служит германий Ge и кремний Si, а также арсенид галлия GaAs Атомы в кристаллической решетке связаны за счет обменных сил, возникающих при попарном объединении валентных электронов соседних атомов, при этом каждый из атомов остается электрически нейтральным. Такая связь называется ковалентной.

При повышении температуры возникает колебание решетки, ковалентные связи между атомами могут разрываться, что приводит к образованию пары носителей заряда – свободного электрона и незаполненной связи – дырки. Процесс образования электронно-дырочных пар называется генерацией носителей заряда (рис.6.1.) . Незаполненная электроном связь быстро заполняется одним из валентных электронов соседнего атома, на месте которого образуется дырка. Электроны и дырки совершают хаотическое движение в течение некоторого времени, после чего свободный электрон возвращается на место разорванной валентной связи, при этом исчезает пара свободных носителей заряда. Процесс этот называется рекомбинацией. В полупроводниках используются примесные полупроводники, у которых число носителей заряда существенно увеличивается. При введении в кремний атома элемента V группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева (например, мышьяка As) четыре его валентных электрона вступают в связь с четырьмя соседними электронами кремния и образуют устойчивую оболочку из восьми электронов.

 Рис. 6.1. Кристаллическая структура полупроводников

Девятый электрон слабо связан с ядром пятивалентного элемента, он отрывается и становится свободным. Дырки при этом не образуется.

Примесный атом становится ионом с положительным зарядом. Примесь этого типа называется донорной, а полупроводники электронными или n-типа электропроводности. В таких полупроводниках электроны свободны, а дырки связаны. Если в кремний введен атом трехвалентного элемента (например, бора В), то все три валентных электрона вступают в связь с четырьмя электронами соседних атомов кремния. Для устойчивой оболочки не хватает одного. Им является один из валентных электронов, отбираемый от соседнего атома, у которых образуется незаполненная связь – дырка. Примесь такого типа называется акцепторной, а полупроводники -дырочными или р-типа электропроводности. Дырки в них свободны, а электроны связаны. Носители зарядов, преобладающие в данном полупроводнике называются основными. В полупроводниках п-типа основные носители электроны, а не основные – дырки. В полупроводниках р-типа основные носители дырки, а не основные - электроны, (рис.6.1. а, б).

Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным переходом называется обедненный свободными носителями зарядов слой полупроводника, разделенный на электронную и дырочную области. Рассмотрим свойства равновесного полупроводника при отсутствии внешнего напряжения (рис. 6.2. а). Предположим, что кристалл разделен на две области: левая область р-дырочная, а правая п-область-электронная.

Дырки под действием сил теплового движения из области р переходят в область п, где они уже будут не основными носителями, а электроны из области п переходят в область р, где тоже будут не основными носителями. Из-за ухода через переход на его правой границе создается пространственный заряд отрицательный, а с левой стороны образуется положительный пространственный заряд из-за ухода электронов.

 Рис. 6.2. Условное изображение p - n, перехода (а) с прямым и обратным напряжением (в, б)

Образование пространственных зарядов в р-п переходе приводит к появлению контактной разности потенциалов. За счет контактной разности потенциалов создается электрическое поле. Оно препятствует диффузии дырок и электронов через переход и стремится вернуть дырки и электроны в свои области. Поэтому в центральной части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей зарядов и поэтому с большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим т.е. препятствующим прохождению тока. Внутреннее поле подхватывает не основные носители каждой области и переносит их в соседнюю, образуя дрейфовый ток. В состоянии равновесия дрейфовый и диффузионный токи равны и противоположны. Общий ток равен нулю.

Если к пластине полупроводника с р-п переходом подключить источник постоянного тока напряжением V плюсом к p - области, а минусом к n-области (рис. 6.2. б), в полупроводнике возникает электрическое поле Е nр, направленное навстречу полю пространственных зарядов Ек и результирующее поле Ер в р-п. переходе будет меньше поля Ек понизится потенциальный барьер, ток диффузии увеличится. Такое включение р-п перехода называется прямым включением, а внешнее напряжение такой полярности прямым напряжением Unp . Так как диффузионный ток стал больше дрейфового тока, то через переход, а следовательно, и через пластину начнет проходить прямой ток Inр. Если прямое напряжение плавно увеличивать, ток Iпр будет расти, сопротивление запирающего слоя уменьшается. Этот процесс называется инжекцией.

Если к р-п переходу приложить напряжение обратной полярности (рис. 6.2в), то в полупроводнике возникнет электрическое поле Еобр, совпадающее по направлению с полем Ек, и результирующее поле Ер станет больше поля Ек. Потенциальный барьер увеличится, сопротивление запирающего слоя увеличивается. Такое включение р-п перехода называется обратным включением, а внешнее напряжение обратным напряжением Uобр. Ток, обусловленный преимущественно неосновными носителями зарядов, называется обратным током Iобр. Вольт-алмерная характеристика р-п перехода (рис. 6.3а). Основные свойства р-п перехода - зависимость его сопротивления от полярности приложенного напряжения. При прямом включении оно мало, а при обратном - велико, таким образом р-п переход обладает односторонней проводимостью.