Примеснойназывается проводимость, обусловленная присутствием в полупроводнике примесей какого-либо типа.

Собственной проводимостью называется электропроводность веществ, обусловленная свободными электронами и дырками, образовавшимися в равных количествах при тепловых движениях атомов.

В практических целях чаще используются полупроводники с добавками других элементов - примесей, наличие которых приводит к преобладанию одного из типов проводимости.

+4

+4

+4

+4

+3

+4

+4

+4

+4

Рис. 3. Акцепторная примесь

дырка

Так, если к четырехвалентному германию добавить незначительное количество пятивалентного мышьяка или сурьмы, то в нем образуется избыток слабосвязанных с ядром электронов (рис. 2). Обусловлено это тем, что четыре валентных электрона примеси участвуют в создании химической связи с атомом германия, а пятый валентный электрон оказывается слабо связанным с атомом примеси, поэтому он легко становится «свободным». Эти электроны уже при комнатной температуре могут принимать участие в создании тока проводимости.

Примеси, добавление которых к собственному полупроводнику приводит к увеличению концентрации свободных электронов, называются донорными, а проводимость в этом случае будет электронной (n-типа).

Добавление к германию примеси с валентностью, равной трем, например, бора или индия, приводит к повышению концентрации дырок (рис. 3). Объясняется это нехваткой у атома индия одного электрона для установления прочной связи с атомом германия, при этом между этими двумя атомами получается незаполненная валентная связь, или «дырка». Число дырок в кристалле равно числу атомов примеси.

Примеси, при добавлении которых к чистому полупроводнику возрастает концентрация дырок, называются акцепторными, а проводимость будет дырочной (p-типа).

Примеснойназывается проводимость, обусловленная присутствием в полупроводнике примесей какого-либо типа.

Большая часть полупроводниковых приборов работает на основе электронно-дырочного перехода, который представляет собой границу между двумя областями полупроводника, одна из которых p – типа, а другая n – типа. Создание такого перехода осуществляется, например, диффузионным способом или путем ионной имплантации (ионной бомбардировкой поверхности полупроводника с последующим высокотемпературным отжигом).

область p - типа

область n - типа

область p – n перехода

Eк

Рис. 4. Схема p – n перехода

В p - области перехода основными носителями являются дырки, а неосновными - электроны. В n – области, наоборот, основными носителями являются электроны, а неосновными - дырки. Следовательно, в каждой области концентрация основных носителей много больше концентрации неосновных носителей заряда и в области контакта полупроводников с различным типом проводимости существует градиент концентрации электронов и дырок, вызывающий их диффузию через пограничный слой во встречных направлениях.

В результате ухода электронов и дырок из атомов в приконтактных областях возникает область положительно и отрицательно заряженных ионов (доноров и акцепторов) – двойной запирающий слой. Этот слой обладает большим сопротивлением, так как в нем отсутствуют свободные носители заряда. Сами электроны и дырки, перейдя в соседние области p-n перехода, рекомбинируют (нейтрализуются) там с основными носителями. Таким образом, на границе двух полупроводников появляется контактное поле напряженностью E_k (рис. 4).

Направление контактного поля таково, что оно препятствует дальнейшему переходу через двойной слой основных носителей с той и другой стороны p-n перехода и, наоборот, способствует переносу неосновных носителей.

Если на p - полупроводник подать положительный потенциал, а на n - полупроводник - отрицательный, то двойной слой обогатится основными носителями заряда и его сопротивление снизится (прямое смещение p-n перехода). Если на p - область подать отрицательный потенциал, а на n - область - положительный, то основные носители заряда будут оттягиваться от области двойного электрического слоя, ширина его увеличится и сопротивление возрастет (обратное смещение перехода). Ток через p-n переход будет мал и обусловлен движением неосновных носителей заряда, концентрация которых незначительна. Такой ток называют обратным или тепловым. Таким образом, сопротивление p-n перехода при одном направлении тока больше, чем при другом, следовательно, p-n переход хорошо пропускает ток только в одном направлении (обладает выпрямляющими свойствами). Эти свойства легли в основу работы полупроводникового диода - полупроводникового прибора с одним p-n переходом и двумя выводами. Электронно-дырочный переход нельзя получить, наложив одну на другую пластины, изготовленные из полупроводников с различной примесной проводимостью, так как между пластинами неизбежно наличие поверхностных пленок или очень тонкого слоя воздуха. Такой переход создается лишь посредством образования областей с различными электропроводностями в одной пластине полупроводника методом вплавления.

Важнейшее значение в теории полупроводниковых приборов представляет аналитическая зависимость между напряжением, приложенным к p-n переходу и возникающим при этом током. Такая зависимость называется вольт-амперной характеристикой p-n перехода (диода) и описывается уравнением:

                                     (1)

где − тепловой ток p-n перехода,

 − приложенное к переходу напряжение (учитывает знак)

 − температурный потенциал, определяемый по формуле:

                                         (2)

где  − постоянная Больцмана,

 − абсолютная температура среды

е − заряд электрона.

Анализ выражения (1) для комнатных температур ( 300 К,  В) показывает следующее. При прямых напряжениях, превышающих 0, 1 В, можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальной составляющей, а при отрицательных напряжениях  В, наоборот, значение экспоненциальной составляющей становится пренебрежимо малым по сравнению с единицей. Следовательно, график роста прямого тока через полупроводниковый диод с увеличением прямого напряжения представляет собой экспоненциальную кривую. При обратном включении ток через диод становится очень малым, определяется только тепловым током и не зависит от напряжения. Таким образом, величина и направление тока, протекающего через p-n переход (диод), зависят от величины и знака приложенного к переходу напряжения.

Рис. 5. Вольт-амперная характеристика диода

На рис. 5 приведена вольт-амперная характеристика  идеального полупроводникового диода. Для реальных диодов вольт-амперная характеристика может иметь несколько иной, но похожий вид.

При прямом токе (I_прям) характеристика имеет вид круто восходящей ветви. На участке 1  и прямой ток мал. На участке 2  запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. В обратном направлении ток быстро достигает насыщения и не изменяется до некоторого предельного обратного напряжения U_пр, после чего резко возрастает. На участке 3 запирающий слой препятствует движению основных носителей, а небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. При напряжении, большем предельного (U_пр), наступает пробой p-n перехода и обратный ток I_обр быстро растет (участок 4). Напряжение U_пр  называют напряжением пробоя или пробойным напряжением диода. Напряжение пробоя диода – это одна из характеристик, определяющих его режим работы. При использовании диодов в выпрямительных устройствах работа при обратных напряжениях, близких к U_пр, не допускается, так как может привести к выводу диода из строя. В этом случае p-n переход «выгорает» и диод становится проводником, одинаково хорошо пропускающим ток в обоих направлениях.

⇐ Предыдущая10111213141516171819Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: