Примесная проводимость полупроводников

Основные понятия. Собственная проводимость

Полупроводников

 

Полупроводниками называются материалы, имеющие удельное электрическое сопротивление 10^-4 ¸10⁴ Ом^.см. К ним относятся кремний Si, германий Ge, полупроводники сложного состава: арсенид галлия, сульфиды. Они имеют кристаллическую решетку в виде тетраэдра. Плоским изображением кристаллической решетки является проекция на одну из граней куба (рисунок 10.1).

 

 

 

Рисунок 10.1

 

Связь между атомами германия осуществляется за счет общих электронов, такая связь называется ковалентной. При температуре 0⁰ К и отсутствии внешних факторов возбуждения эти связи не нарушены, в зоне проводимости нет электронов и полупроводник ведет себя как диэлектрик.

При возбуждении некоторые электроны приобретают энергию, достаточную для перехода из валентной зоны в зону проводимости. Они теряют связь с ядром и могут свободно перемещаться.

Если к такому полупроводнику приложить напряжение, то это движение будет упорядоченным. Проводимость, обусловленная движением электронов, называется электронной или проводимостью типа n (negative - отрицательный).

При переходе электрона в зону проводимости в ковалентной связи образуется свободное место, появляется свободный энергетический уровень, на который может перейти другой электрон из соседней связи. Эти свободные энергетические уровни называются дырками. Проводимость, обусловленная движением дырок, называется дырочной проводимостью или проводимостью типа p (positive - положительный). Дырке приписывают знак плюс - некомпенсированный заряд ядра. Строго говоря, носителями зарядов являются электроны. Ток при подключении напряжения к полупроводнику типа p обеспечивается за счет поочередного перехода электронов из одной связи в другую. Однако удобно рассматривать непрерывное движение положительных зарядов, то есть дырок. Проводимость, обусловленная перемещением дырок и электронов, возникающих в результате разрыва валентных связей, называется собственной проводимостью полупроводника. При этом концентрация дырок и электронов будет одинакова, ток во внешней цепи будет равен нулю.

 

Примесная проводимость полупроводников

 

Для обеспечения преобладающей концентрации дырок или электронов в полупроводник добавляют примеси. Если к полупроводнику добавить трехвалентную примесь (бор, галлий), то получим полупроводник с дырочной проводимостью (рисунок 10.2,а). Такие примеси называются акцепторными. Если к полупроводнику добавить пятивалентную примесь (фосфор, мышьяк), то получим полупроводник с электронной проводимостью (рисунок 10.2,б). Такие примеси называются донорными.

 

а) б)

Рисунок 10.2

 

Проводимость, обусловленная электронами и дырками, полученными за счет добавления примеси, называется примесной. За счет добавления примеси получаем полупроводник с преобладающей концентрацией электронов или дырок и ток во внешней цепи будет определяться электронами или дырками.

В полупроводнике типа n основными носителями являются электроны, а не основными - дырки.

В полупроводнике типа p основными носителями являются дырки, а неосновными - электроны.

 

10.3 p - n переход

 

Рассмотрим принцип действия симметричного p - n перехода. p - n переход возникает при контакте полупроводников типа p и типа n. Переход называется симметричным при условии:

 

p_р = n_n n_p = p_n,,

 

где p_p - концентрация дырок в полупроводнике типа p; n_n - концентрация электронов в полупроводнике типа n; n_p - концентрация электронов полупроводнике типа p; p_n - концентрация дырок в полупроводнике типа n.

При образовании этого перехода начинается диффузия электронов из полупроводника типа n в полупроводник типа p, дырок из полупроводника типа p в полупроводник типа n. Диффузия - это движение за счет разницы концентраций носителей. При диффузии происходит рекомбинация - электроны занимают дырки.

Вследствие этого в пограничном слое количество свободных носителей зарядов резко уменьшается, что увеличивает сопротивление пограничных слоев n и p полупроводников. Область повышенного сопротивления называется запирающим слоем. В результате перехода дырок из полупроводника типа p в полупроводник типа n в первом образуется слой отрицательных неподвижных зарядов (ионов акцепторов), а в полупроводнике типа n образуется слой положительных неподвижных зарядов (ионов доноров). Эти два слоя положительных и отрицательных зарядов образуют разность потенциалов запирающего слоя (контактную разность потенциалов) и соответствующее ей электрическое поле Е_к, препятствующее движению электронов из полупроводника типа n в полупроводник типа p и обратному движению дырок (рисунок 10.3,а).

Диффузионное движение электронов и дырок через p - n переход образует диффузионный ток.

Рисунок 10.3

 

Контактная разность потенциалов, препятствующая диффузионному движению основных носителей заряда, является ускоряющей для движения неосновных носителей заряда: дырок из полупроводника типа n в полупроводник типа p и электронов из полупроводника типа p в полупроводник типа n. За счет движения неосновных носителей образуется ток, который называется дрейфовым.

С течением времени диффузионный ток уменьшается, а дрейфовый увеличивается. В какой-то момент времени наступает динамическое равновесие, при котором диффузионный и дрейфовые токи равны по величине и общий ток через p - n переход равен нулю.

Условие динамического равновесия:

 

,

 

где - диффузионный ток полупроводника типа n; - диффузионный ток полупроводника типа p; - дрейфовый ток полупроводника типа n; - дрейфовый ток полупроводника типа p.

 

При подключении внешнего источника питания E_к к p - n переходу контактная разность потенциалов изменяется. При подключении зажима "-" внешнего источника питания к полупроводнику типа n, а зажима "+" к полупроводнику типа p, основные носители зарядов полупроводников типа p и типа n будут перемещаться к p - n переходу и за счет уменьшения количества ионов акцепторов и доноров будет уменьшаться ширина p - n перехода. Ионы акцепторов и доноров превращаются в нейтральные атомы. Сопротивление запирающего слоя становится меньше и диффузионный ток через p - n переход возрастает. Такое включение внешнего источника питания называется прямым (рисунок 10.3,б).

При изменении полярности источника внешнего напряжения основные носители заряда удаляются от p - n перехода, запирающий слой становится больше за счет увеличения количества ионов акцепторов и доноров, его сопротивление возрастает. Такое включение источника внешнего напряжения называется обратным (рисунок 10.3, в). При обратном включении источника внешнего питания диффузионный ток основных носителей уменьшается и при некотором значении внешнего напряжения становится равным нулю.

Дрейфовый ток неосновных носителей увеличивается и при некотором значении внешнего напряжения достигает своего максимального значения. Ток неосновных носителей, называемый обратным, во много раз меньше тока, протекающего через p - n переход при прямом включении источника внешнего напряжения.

Следовательно, при прямом включении через p - n переход проходит достаточно большой прямой ток, а при обратном включении - небольшой обратный ток, то есть p - n переход обладает односторонней проводимостью.

 

Полупроводниковый диод

 

В случае симметричного перехода при прямом или обратном включении источника внешнего напряжения соответственно диффузионный или дрейфовый токи, состоящие из электронов и дырок, перемещающихся навстречу друг другу, будут равны, и ток во внешней цепи будет равен нулю. Поэтому в полупроводниковых приборах используют несимметричные p - n переходы. Для несимметричного p - n перехода характерно следующее соотношение концентраций основных носителей: p_p > n_n или p_p < n_n. За счет разницы концентраций основных носителей полупроводников p и n, в случае несимметричного перехода, диффузионный ток будет определяться соотношением концентраций основных носителей, дырками или электронами.

Принцип действия полупроводникового диода основан на несимметричном p - n переходе.

Вольтамперная характеристика диода описывается уравнением:

 

I_р-n = Iо (e ^еU/kT - 1),

 

где I_p-n - ток через p - n переход; Io - ток неосновных носителей через p - n

переход; U - напряжение, прикладываемое к p - n переходу; k - коэффициент Больцмана; T - температура p-n перехода; e - основание натурального логарифма; e (в показателе) - заряд электрона.

 

Вольтамперная характеристика полупроводникового диода показана на рисунке 10.4.

Рисунок 10.4

 

Из характеристики видно, что при прямом напряжении порядка десятых долей вольта возникает прямой ток (I_пр) в десятки мА. Поэтому прямое сопротивление (R_пр) имеет величину не выше 10 Ом. Для более мощных диодов I_пр составляет сотни мА и больше при таком же малом напряжении, а R_пр соответственно снижается до единиц Ома и меньше.

При обратном напряжении до сотен вольт возникает обратный ток, составляющий десятки, сотни мкА, что соответствует обратному сопротивлению до сотен кОм. Участок характеристики для обратного тока, малого по сравнению с прямым током, обычно показывают в другом масштабе.

Характеристика I_пр = f (U_пр) имеет в начале значительную нелинейность, так как при увеличении U_пр от нуля сопротивление запирающего слоя уменьшается по закону экспоненты. При дальнейшем увеличении U_пр запирающий слой исчезает и остаются только сопротивления объемов n и p областей, которые приближенно являются постоянными. Поэтому характеристика становится приблизительно линейной. Небольшая нелинейность объясняется тем, что при увеличении тока n и p области нагреваются и от этого их сопротивление уменьшается.

Обратный ток при увеличении обратного напряжения сначала быстро возрастает - это вызвано тем, что при небольшом U_обр за счет повышения потенциального барьера перехода резко снижается диффузионный ток, который направлен навстречу обратному току.

При повышении обратного напряжения обратный ток растет незначительно.

При дальнейшем повышении обратного напряжения происходит резкое увеличение обратного тока, это явление называется пробоем.

К параметрам диода относятся дифференциальное сопротивление R_д и сопротивление постоянному току Rо, которые определяются при постоянной температуре T:

 

R_д = ∆U_пр / ∆I_пр; Rо = U_пр / I_пр

 

Условное обозначение диода на схеме -

 

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: