1 Полупроводники
В современной технике широко используют материалы, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. К ним относятся германий, кремний, индий, селен и некоторые соединения элементов с кислородом, серой.
Основное их отличие от проводников заключается в том, что вследствие более прочной связи электронов с атомами число свободных электронов значительно меньше числа атомов. Повышение температуры вызывает резкое увеличение числа свободных электронов, следовательно, электропроводности.
Не только нагревание, но и другие внешние воздействия на полупроводники – свет, рентгеновское или ультрафиолетовые лучи, радиоактивное излучение – приводят к увеличению проводимости. В результате этого полупроводники нашли широкое применение в современной технике.
Рассмотрим строение полупроводников на примере кремния.
Кремний - четырех валентный элемент, т.е. во внешней оболочке атома четыре валентных электрона. Число ближайших соседей тоже четыре. Взаимодействие пары атомов осуществляется с помощью парноэлектронной связи, называемой ковалентной. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону, которые отщепляются от атомов и движутся между соседними атомами. Их отрицательный заряд удерживает положительные ионы кремния друг возле друга. Эти связи очень прочные и при низких температурах не разрываются. Поэтому кремний при низких температурах не проводит ток. Участвующие в связи атомов валентные электроны прочно привязаны к кристаллической решетке, и внешнее электрическое поле не оказывает заметного влияния на их движение.
Теперь выясним, что происходит при нагревании полупроводников, т.е. как зависит сила тока от температуры?
При нагревании кинетическая энергия валентных электронов увеличивается. Некоторые связи разрываются, и часть электронов становится свободной. Под действием электрического поля они образуют ток.
При разрыве связей образуется вакантное место, где не достает электрона. Это место называется дыркой, где имеется избыточный положительный заряд по сравнению с остальными, нормальными связями.
Под действием электрического поля направленно перемещаются и свободные электроны, и связанные. Последние перескакивают из одного освободившегося места в связях в связях в другое. Это движение можно описывать как движение дырок в противоположную сторону.
Т.о., в полупроводниках электрический ток создается направленным движением свободных электронов и дырок. Поэтому проводимость полупроводников электронная и дырочная.
2 Электрическая проводимость полупроводников при наличии примесей
Проводимость полупроводников сильно зависит от примесей. Собственная проводимость полупроводников обычно невелика, т.к. мало свободных зарядов. Если добавить примесь, то наряду с собственной проводимостью возникает дополнительная – примесная проводимость. Изменяя концентрацию примеси, можно значительно изменять число носителей заряда того или иного знака.
Донорные примеси
При наличии примесей, например атомов мышьяка, число свободных электронов возрастает во много раз.
Пусть в основной кристалл кремния добавлен атом
мышьяка. Атомы мышьяка имеют пять валентных электронов.
Четыре из них участвуют в создании ковалентной связи данного
атома с окружающими. Пятый валентный электрон оказывается
слабо связанным с атомом. Он легко покидает атом
мышьяка и становится свободным.
Примеси, легко отдающие электроны и, следовательно, увеличивающие число свободных электронов, называют донорными, а полупроводники – n – типа.
В таких полупроводниках электроны являются основными носителями заряда.
Акцепторные примеси
Если в качестве примеси использовать индий, атомы
которого трех валентны, то характер проводимости
полупроводника меняется. Теперь для образования нормальных
парноэлектронных связей с соседями атому индия не
достает электрона. В результате образуется дырка. Число дырок
в кристалле равно числу атомов примеси. Такого рода
примеси называют акцепторными.
При наличии электрического поля дырки перемещаются по полю, и возникает дырочная проводимость. Такие полупроводники называются p – типа. Основные носители – дырки.
3 Электрический ток через контакт полупроводников p- и n- типов
Контакт полупроводников двух типов называется p – n – переходом.
При соединении полупроводников разных типов проводимости происходит взаимная диффузия электронов и дырок. В пограничном слое электроны и дырки рекомбинируют. Это приводит к появлению не скомпенсированного положительного заряда ионов в n – области и отрицательных ионов – в p – области. Образуется двойной слой, который препятствует дальнейшей диффузии – запирающий слой (0,0001 мм).
Особенности запирающего слоя:
1) заряжен;
2) имеет собственное электрическое поле;
3) обладает большим сопротивлением.
Закономерности протекания тока в p – n – переходе
Прямой ток
Внешнее электрическое поле перемещает
основные заряды к запирающему слою. Запирающий
слой сужается, его сопротивление уменьшается,
p-n – переход начинает проводить ток.
Обратный переход
Поменяем полярность на источнике тока.
Внешнее поле перемещает основные носители заряда
от границы полупроводников. Запирающий слой
расширяется, сопротивление его возрастает, p-n – переход
плохо проводит ток.
Вольт-амперная характеристика
Из анализа ВАХ следует основное свойство
p-n-перехода – односторонняя проводимость.
При подаче прямого напряжения ток через переход
возрастает по экспоненциальному закону. Обратный ток,
возникающий при обратном напряжении, значительно
меньше прямого и слабо зависит от величины
обратного напряжения. При подаче на вход
переменного напряжения через переход будет
протекать в основном прямой ток. Поэтому
p-n-переход называют выпрямляющим переходом.