Полупроводниковые материалы имеют кристаллическое строение с ионами в узлах кристаллической решётки. Носителями зарядов, образующими электрический ток в полупроводнике, являются свободные электроны.
При низких температурах почти все электроны связаны с атомами молекул и не могут участвовать в образовании тока. При температуре около –100 ОС в 1 мм3 германия содержится не более 10 свободных носителей зарядов, их концентрация настолько мала, что проводимость германия соизмерима с проводимостью изоляционных материалов.
При повышении температуры под действием тепловой энергии электроны рвут связи с атомами, становятся свободными и образуют электрический ток. При температуре +800 ОС их концентрация достигает 1015 эл./мм3 (рис. 5.4), проводимость материала становится соизмеримой с проводимостью металлов.
Сравнивая процессы воздействия тепловой энергии на полупроводники и металлы, необходимо отметить, что в тех и других при повышении температуры подвижность электронов снижается, но концентрация электронов в металлах при этом остаётся неизменной и их удельное электрическое сопротивление увеличивается, а в полупроводниках концентрация свободных электронов растёт столь интенсивно, что их удельное сопротивление резко уменьшается.
Если извне сообщить электронам дополнительную энергию, то они перейдут из связанного состояния в свободное и проводимость материала возрастёт. Это свойство полупроводников используется в терморезисторах, фоторезисторах, фотоэлементах, диодах, тиристорах, транзисторах и других устройствах полупроводниковой техники.
Собственная электронная и дырочная
Проводимость полупроводников
Нейтральная молекула полупроводникового материала, например, германия (рис.5.5,а), имеет валентные связи, заполненные электронами. При подведении к ней добавочной энергии W (тепловой, световой, электрической и др.) увеличивается энергия валентных электронов, они отрываются от своих атомов (рис. 5.5,б) и нейтральная молекула вещества разделяется на свободный электрон и ион. На месте электрона у иона остаётся свободная валентная связь — «дырка», которую применительно к полупроводникам принято считать частицей с положительным зарядом.
Ион зафиксирован в узле кристаллической решётки и перемещаться не может, но дырка может быть заполнена электроном, оторвавшимся от соседней молекулы (рис. 5.6). Ион становится нейтральной молекулой, а молекула, лишившаяся электрона, обретает свободную валентную связь — дырку. Таким образом, при перемещении электронов им навстречу перемещаются дырки. Движение отрицательных электронов называют электроннойили n- проводимостью, перемещение положительных дырок — дырочной или p- проводимостью (от латинского «negativus» — «отрицательный» и «positivus» — «положительный»). Упорядоченное перемещение электронов и дырок образует электрические токи в полупроводнике.
В идеальных кристаллах чистых полупроводников, имеющих не более 10–11 % примесей, электроны и дырки появляются всегда парами, их концентрации равны, токи, которые они образуют, обусловлены собственной проводимостью полупроводника.
Примесная проводимость
Полупроводников
В реальных кристаллах полупроводников с примесями и дефектами кристаллической решётки равенство концентраций электронов и дырок нарушено, проводимость в таком случае называют примесной,или индуцированнойи она осуществляется либо преимущественно электронами, либо дырками.
Для изготовления полупроводниковых устройств электронной техники требуются материалы с преимущественно электронной и преимущественно дырочной проводимостью. Чтобы получить такие материалы, в особо чистый полупроводник дозированно вводят соответствующие легирующие примеси, придающие им нужный тип проводимости.
Если в четырёхвалентный германий будет введена пятивалентная донорная примесь (висмут, сурьма или фосфор), имеющая пять валентных электронов, то четыре электрона будут связаны четырёхвалентным германием, а каждый пятый электрон останется свободным. В материале образуется избыток свободных электронов, будет получен германий с электронной проводимостью. При введении трёхвалентной акцепторной примеси (алюминий, бор, галлий) три её валентные электрона займут лишь три связи четырёхвалентного германия. Каждая четвёртая валентная связь останется свободной, в материале будет наблюдаться преобладание дырок, и полученному германию будет присуща дырочная проводимость.
5.6. Электронно-дырочный переход
Особые электрические явления происходят на n-p - переходе — границе полупроводников с разными типами проводимости.
Электроны и дырки, пытаясь равномерно распределиться в объёме материала, диффундируют через границу в «чужие» области: электроны — в p-область, а дырки — в n-область (рис. 5.7,а). В результате у перехода образуются слои, насыщенные электронами и дырками, создающие собственное электрическое поле с напряжённостью Е0 (рис. 5.7, б). Электроны для достижения р-области должны преодолеть запорный слой — барьер из образованных слоёв, которые по мере насыщения электронами и дырками расширяются, при этом увеличивается и напряжённость поля Е0. Процесс продолжается до тех пор, пока напряжённость поля не уравновесит силы стремления электронов и дырок диффундировать в «чужие» области, и барьер станет непреодолимым. Толщина образованного запорного слоя составляет около 10–4 мм.
Если к n-р- переходу приложено внешнее электрическое поле напряжённостью Е вн того же направления, что и собственное поле Е0, то «свои» электроны и дырки концентрируются у электродов (рис. 5.7, в), слои у перехода расширяются, барьер увеличивается. Возрастает сопротивление n-р- перехода, и сквозь него протекает весьма малый ток, называемый обратным током I0 .
Если к переходу приложено внешнее электрическое поле, встречное собственному полю, то «свои» электроны и дырки смещаются к переходу, сжимая «чужие» слои, и легко преодолевают уменьшившийся барьер (рис. 5.7, г). Сопротивление перехода снижается, сквозь него протекает прямой токIпр , определяемый уже не сопротивлением перехода, а сопротивлением прочих элементов электрической цепи, в которую включен полупроводниковый прибор с n-р-переходом.
Полупроводниковые диоды
На электрических процессах, свойственных n-p - переходу, основано действие полупроводниковых диодов — приборов с односторонней проводимостью, широко используемых для генерирования электрических колебаний и преобразования переменного тока в постоянный.
Вольт-амперная характеристика диода показана на рис. 5.8.
При прямом включении (правая часть характеристики) диод VD открыт. Уже при напряжении 0,5…2 В его сопротивление становится весьма малым и прямой ток Iпр диода определяется сопротивлением резистора R .
При обратном включении (левая часть характеристики) диод VD закрыт. Его сопротивление велико, и ток в цепи до весьма значительных напряжений определяется лишь исчезающе малым обратнымтоком I0 диода.
При превышении напряжением допустимой величины или при высоких температурах происходит пробой n-p - перехода: он разрушается, диод выходит из строя, ток лавинообразно возрастает.
Схема двухполупериодного преобразования (выпрямления) переменного тока в постоянный при помощи выпрямительного моста показана на рис. 5.9. При положительных полупериодах переменного напряжения U ток течёт по диоду VD2, нагрузочному резистору Rн , диоду VD3.При отрицательных полупериодах — по диоду VD4, резистору Rн, диоду VD1. Таким образом, как при положительных, так и при отрицательных полупериодах напряжения Uток через резистор Rн протекает почти непрерывно в одном направлении и напряжение URн не меняет своего знака.
Кроме выпрямительных диодов выпускаются управляемые диоды (тиристоры и симисторы) , которые переходят в открытое состояние по управляющему сигналу, диоды с изменяемой ёмкостью перехода —варикапы, стабилизаторы напряжения(стабилитроны), фотодиоды, реагирующие на оптическое излучение, светодиоды, преобразующие электрическую энергию в свет и др.
Дата: 2016-10-02, просмотров: 152.
