Общие теоретические положения

Полупроводниками называются материалы, занимающие промежуточную проводимость между проводниками и диэлектриками.

Полупроводники – это элементы IV группы периодической таблицы Менделеева: германий, кремний, селен, а также соединения элементов III и V групп: арсенид галлия, сульфид кадмия и др.

Полупроводник i-типа При температуре абсо­лютного нуля - 0К (-273°С) все валентные электроны участвуют в образовании ковалентных связей, => свободных носителей электрических зарядов не имеется, при этом полупроводник подобен идеальному диэлектрику. При повышении температуры или при облучении полупроводника лучистой энергией часть валентных электронов становятся свободными носителями зарядов. Одновременно образуются незаполненные ковалентные связи - дырки. В собственных полупроводниках концентрация электронов равна концентрации дырок ni = pi.

Полупроводник n-типа Донорная примесь - элементы V группы таблицы Минделева: мышьяк, фосфор, сурьма. Если в чистый кристалл кремния или германия внести атом донорной примеси, то четыре валентных электрона приме­си войдут в ковалентные связи с четырьмя сосед­ними атомами, а пятый электрон примеси становится свободным. => в полупроводнике n-типа концентрация электронов всегда больше концентрации дырок: nn > pn Основные носители – электроны Неосновные носители – дырки

Полупроводник p-типа Акцепторная примесь - элементы III группы таблицы Минделева: бор, алюминий, галлий, индий. Если в кристалле полупроводника один из его атомов заменить атомом трехвалентной примеси (акцепторной), то образуется незаполненная ковалентная связь - дырка (дырка проводимости). => в полупроводнике p-типа концентрация дырок всегда больше концентрации электронов:   pp > np Основные носители – дырки Неосновные носители – электроны

Разрывы ковалентных связей, сопровождающиеся образованием свободных электронов и дырок, называют генерацией, а восстановление ковалентных связей - рекомбинацией. Рекомбинация сопровождается выде­лением некоторой энергии в виде теплоты или света; генерация происходит с поглощением энергии.

p-n- ПЕРЕХОД

Область, где имеется переход от полупроводника с электронной проводимостью к полупроводнику с дырочной проводимостью, называют электронно-дырочным или р-п-переходом.

Равновесное состояние Электроны из n -области диф­фундируют в p -область, а дырки из р -области – в n -область. На границе раздела создаются об­ласти с избыточной концентрацией неподвижных отрицательных ионов со стороны p -области и избыточных положительных неподвижных ионов со стороны n -области. В приконтактной области образуется тонкий слой, почти лишенный подвижных электрических зарядов, называемый запирающим слоем. Внутреннее поле Езап для основных носителей является тормозящим, а для неосновных - ускоряющим. Основные носители, преодолевая тормозящее действие внутреннего поля, создает диффузионный ток Iдиф – прямой ток Iпр. Неосновные носители р- и n -областей захватываются этим полем и создают ток дрейфа Iдр – обратный ток Iобр. При отсутствии внешнего поля I диф =I др => I p-n =I диф –I др =0

Прямое включение Положительный полюс источника подключен к p-области, а отрица­тельный – к n-области. При этом электрическое поле внешнего источника Евн не совпадает с направлением поля Езап р-n- перехода. Это приведет к уменьшению ширины запирающего слоя и высоты потенциального барьера. Диффузионные токи основных носителей возрастают, а токи дрейфа уменьшаются (Iдиф>Iдр), в результате через р-n- переход будет протекать результирующий ток, называемый прямым током. Прямой ток Iпр протекает в направлении от р- к n- области.

Обратное включение Положительный полюс источника подключен к n-области, а отрица­тельный – к p-области. Электрическое поле внешнего источника Евн совпадает с направлением поля Езапр-n- перехода. Это приведет к увеличению ширины запирающего слоя и высоты потенциального барьера. Токи диффузии уменьшаются до нуля в связи с ростом потенциального барьера. Токи дрейфа сохраняют почти прежние значения (Iдиф<Iдр). В результате через p-n-переход протекает ток дрейфа неосновных носителей в направлении от п- к р -области и называется обратным током - Iобр. Iобр пропорционален концентрации неосновных носителей и во много раз меньше, чем прямой ток => можно считать, что p-n-переход, обладает односторонней проводимостью.

Вольт-амперная характе­ристика p-n- перехода

При прямом включении p-n- перехода, даже незначительное увеличение прямого напряжения Uпр, приводит к увеличению прямого тока Iпр. При обратном включении p-n- перехода, обратный ток Iобр очень мал (составляет десятки микроампер) при напряжениях Uобр в сотни Вольт.

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №14