Краткая теория
В полупроводниковых материалах валентные электроны сильно связаны с ядрами атомов и при создании кристаллической решетки участвуют в образовании химических связей. Рассмотрим условия появления носителей заряда в полупроводниках на примере классического полупроводника - кремния.
Собственный полупроводник
Рассмотрим кристалл чистого кремния, не содержащего никаких примесей. Каждый атом кремния имеет 4 валентных электрона. При образовании кристаллической решетки валентные
Рис.15.1. Двумерное представления расположения связей в кремнии при низкой (а) и высокой (б) температурах
электроны, представленные на рис.15.1, а в виде черных точек, обеспечивают ковалентную связь. При температурах, близких к абсолютному нулю, все электроны находятся в связанном состоянии, и свободных носителей заряда в полупроводнике нет. При подведении энергии (например, за счет теплового нагрева) появляется возможность разрыва ковалентной связи, в результате чего электрон становится свободным (рис.15.1, б). При уходе электрона ковалентная связь оказывается незавершенной (светлый кружок на рисунке).
Примесной полупроводник
Изменить концентрацию электронов или дырок в полупроводнике можно его легированием (введением примесей). Допустим, что часть атомов кремния замещена атомами пятивалентного мышьяка (рис.15.2, а).
Рис. 15.2. Схематическое изображение кристаллической решетки примесного полупроводника n- (а) и p-типа (б) проводимости
Четыре валентных электрона атома мышьяка участвуют в образовании ковалентной связи, пятый электрон оказывается «лишним». Он слабо связан с атомами мышьяка. При низких температурах он локализован около своего родного атома, но при повышении температуры способен стать свободным. В этом случае каждый введенный атом мышьяка вносит в кристаллическую решетку свободный электрон. Концентрация электронов будет определяться концентрацией введенной примеси. В таком полупроводнике выполняется условие
. (15.1)
В силу доминирующей роли электронов такие полупроводники называются полупроводниками n -типа проводимости или полупроводниками с электронной проводимостью.
Введем в кристаллическую решетку кремния атомы элемента 3-й группы периодической системы Менделеева (например, алюминий). Поскольку валентность алюминия равна трем, то одна связь атома кремния будет незавершенной (рис. 15.2, б). Следовательно, каждый введенный в кремний элемент 3-й группы будет вносить один положительный заряд – дырку. В таком материале будет выполняться условие
(15.2)
и электропроводность кристалла будет дырочной. Рассмотренные полупроводники называются полупроводниками p -типа проводимости.
Важно отметить, что в примесном полупроводнике существуют основные и неосновные носители заряда. В материале n -типа основными носителями являются электроны, неосновными – дырки. В полупроводниках p -типа основными носителями являются дырки, неосновными – электроны.
Выпрямляющие свойства p-n перехода
Контакт двух полупроводников с разным типом проводимости обладает выпрямляющим действием. Это означает, что сопротивление такого контакта зависит от направления тока: в одном направлении оно велико, в другом – мало. Рассмотрим выпрямляющее действие p-n перехода. Приведем в плотный контакт два материала с дырочной и электронной проводимостью (рис.15.3). Различие в концентрациях однотипных носителей заряда приведет к возникновению диффузионного потока электронов из n -области в p -область, а дырок из p -области в n. При этом приконтактная область дырочного полупроводника будет заряжаться отрицательно, а электронного – положительно. Возникает двойной электрический слой разделенных зарядов, которому будет соответствовать внутреннее контактное электрическое поле, направленное от плюса к минусу. Иными словами, на границе p и n областей возникает внутренняя контактная разность потенциалов UK, затрудняющая процессы перехода основных носителей заряда.
Рис.15.3. Образование контактной разности потенциалов
Подадим на p-n переход внешнее напряжение. Если положительный потенциал приходится на p -область, а отрицательный на n - область (рис.15.4), то такое включение называется прямым и ему соответствует протекание большого тока через p-n переход.
Рис.15.4. P-n переход при прямом смещении
Это обусловлено тем, что внешнее электрическое поле будет ослаблять действие внутреннего электрического поля. Величина потенциального барьера для основных носителей заряда по обе стороны от p-n перехода понизится, уменьшится ширина двойного электрического слоя, и, увлекаемые внешним электрическим полем, электроны n -области и дырки p -области будут двигаться через границу через невысокий потенциальный барьер. Таким образом, протекание большого прямого тока обусловлено движением основных носителей заряда.
Если сменить направление внешнего электрического поля, подавая положительный потенциал на n -область, а отрицательный на p (рис.15.5), то такое смещение называется обратным и характеризуется протеканием малых токов.
Рис.15.5. Обратное включение p-n перехода
Зависимость силы тока I от внешнего напряжения U, называемая вольтамперной характеристикой (ВАХ), для p-n перехода описывается уравнением:
(15.3)
где знак «+» относится к прямому направлению, знак «-» - к обратному. При прямых смещениях зависимость имеет экспоненциальный характер, поскольку уже при небольших напряжениях единицей в квадратных скобках можно пренебречь. При больших обратных смещениях ток выходит на постоянный уровень, называемый током насыщения IS.
Вольтамперная характеристика реальных промышленных полупроводниковых диодов изображена на рис.15.6 и имеет небольшие отличия от зависимости, описываемой ф.(15.3).
Рис.15.6. ВАХ полупроводникового диода
Эти отличия относятся к области прямых смещений, когда начальный экспоненциальный участок переходит в строгую линейную зависимость. Линейная зависимость обусловлена тем, что при больших прямых смещениях потенциальный барьер для основных носителей полностью исчезает и величину протекающего тока уже определяет электрическое сопротивление p- и n- областей, называемых базовой областью. Сопротивление базовой области RБ определяется по тангенсу угла наклона линейного участка ВАХ:
(15.4)
