Полупроводники. Два вида электропроводимости полупроводников

⇐ ПредыдущаяСтр 2 из 24Следующая ⇒

По способности проводить электрический ток твёрдые тела первоначально разделяли на проводники и диэлектрики. Позже было замечено, что некоторые вещества проводят электрический ток хуже, чем проводники, но и к диэлектрикам их тоже нельзя отнести. Их выделили в отдельную группу полупроводников. Характерные отличия полупроводников от проводников:

Значительная зависимость проводимости полупроводников от температуры.
Сильное влияние на проводимость полупроводников даже незначительного количества примесей.
Влияние на их проводимость различных излучений (световых, радиационных и др.). По этим особенностям полупроводники ближе к диэлектрикам, чем к проводникам.

Для производства полупроводниковых приборов используются в основном германий, кремний, арсенид галлия. Германий является редким элементом, рассеянным в природе, кремний же наоборот очень распространён. Однако встречается не в чистом виде, а только в виде соединений с другими элементами, в основном с кислородом. Арсенид галлия - это соединение мышьяка с галлием. По сравнению с германием и кремнием арсенид галлия меньше подвержен воздействию температуры и радиации.

Для понятия механизма работы полупроводниковых приборов нужно сначала ознакомиться с проводимостью в полупроводниках и механизмом образования p-n переходов. Наиболее широко используются полупроводники германий и кремний. Они относятся к IV группе периодической системы Менделеева. На внешней оболочке атома германия (или кремния) находятся 4 валентных электрона. Каждый из них образует с соседними четырьмя атомами ковалентные связи. Они образуются двумя электронами, каждый из которых принадлежит одному из соседних атомов. Парноэлектронные связи очень устойчивы, поэтому каждая электронная пара прочно связана со своей атомной парой и не может свободно перемещаться в объёме полупроводника. Это справедливо для химически чистого полупроводника, находящегося при температуре близкой к 0°К (абсолютный нуль). При повышении температуры атомы полупроводника начинают совершать тепловое колебательное движение. Энергия этого движения передаётся электронам, и для некоторых из них она оказывается достаточной, чтобы оторваться от своих атомов. Эти атомы превращаются в положительные ионы, а оторвавшиеся электроны могут свободно перемещаться, т.е. становятся носителями тока. Если говорить точнее, уход электрона приводит к частичной ионизации 2-х соседних атомов. Появляющийся при этом единичный положительный заряд следует относить не к тому или иному атому, а к нарушению парноэлектронной связи, оставленной электроном.

Отсутствие электрона в связи называется дыркой. Дырка имеет положительный заряд равный по абсолютной величине заряду электрона. Дырка может быть занята одним из электронов соседней связи, при этом образуется дырка в соседней связи. Переход электрона из одной связи в другую соответствует перемещению дырки в обратном направлении. Практически удобнее рассматривать непрерывное движение положительного заряда, чем поочерёдное перемещение электронов из связи в связь. Проводимость, которая возникает в объёме полупроводника за счёт нарушения связей, называется собственной проводимостью. Различают два типа проводимости: n - типа и p - типа (от слов negative - отрицательный, positive - положительный). Проводимость n - типа называют электронной, а p - типа - дырочной.

Отметим, что нарушение валентных связей может происходить не только за счёт тепловой энергии, но и за счёт энергии света или энергии электрического поля.

Рис.2.1. Механизм образования собственной проводимости в полупроводнике (рисунок выполнен авторами)

Рассмотренное выше относится к чистым полупроводникам, т.е. к полупроводникам без примесей. Введение же примесей изменяет электрические свойства полупроводника. Атомы примеси в кристаллической решётке занимают места основных атомов и образуют парноэлектронные связи с соседними атомами. Если в структуру чистого полупроводника (германия) ввести атом вещества, относящегося к V группе периодической системы элементов (например, атом мышьяка), то этот атом также будет образовывать связи с соседними атомами германия. Но атомы V группы имеют на внешней оболочке 5 валентных электронов. Четыре из них образуют устойчивые парноэлектронные связи, а пятый окажется лишним. Этот избыточный электрон связан со своим атомом намного слабее и, чтобы оторвать его от атома, требуется меньше энергии, чем для освобождения электрона из парноэлектронной связи. Кроме того, превращение такого электрона в свободный носитель заряда не связано с одновременным образованием дырки. Уход электрона с внешней оболочки атома мышьяка превращает его в положительный ион. Тогда уже можно говорить об ионизации данного атома, этот положительный заряд не будет перемещаться, т.е. не является дыркой. При увеличении содержания мышьяка в кристалле германия увеличивается количество свободных электронов без увеличения количества дырок, как это имело место при собственной проводимости. Если концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок, то основными носителями тока будут электроны. В этом случае полупроводник называют полупроводником n - типа. Теперь введём в кристалл германия атом III группы, например, атом индия. У него три валентных электрона. Он образует устойчивые связи с тремя атомами германия. Четвёртая связь остаётся незаполненной, но не несёт в себе заряда, поэтому атом индия и смежный с ним атом германия остаются электрически нейтральными. Уже при небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних парноэлектронных связей может перейти в эту четвёртую связь.

Что при этом произойдёт? Во внешней оболочке индия появится лишний электрон, атом превращается в отрицательный ион. Нарушится электрическая нейтральность в той парноэлектронной связи, откуда пришёл электрон. Появится положительный заряд - дырка в этой нарушенной связи. При увеличении содержания индия будет увеличиваться количество дырок, и они станут основными носителями заряда. В этом случае полупроводник называется полупроводником p - типа (Ронжин Ю.Н., 1982).

2.2. Электронно – дырочный переход ( p – n переход)

P - n переходом называют область, находящуюся на границе раздела между дырочной и электронной областями одного кристалла. Переход создаётся не простым соприкосновением полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области.

Рис.2.2. Механизм образования и действия p - n перехода: 1 - электроны; 2 - дырки; 3 - граница раздела; 4 - неподвижные ионы (рисунок выполнен авторами)

а - основные и неосновные носители в областях полупроводника.

б - образование p - n перехода.

в - направление протекания диффузионного тока и тока проводимости.

г - p-n переход под действием внешнего обратного напряжения.

Рассмотрим полупроводник, в котором имеются две области: электронная и дырочная. В первой - высокая концентрация электронов, во второй - высокая концентрация дырок. Согласно закону выравнивания концентрации электроны стремятся перейти (диффундировать) из n - области, где их концентрация выше в p - область, дырки же - наоборот. Такое перемещения зарядов называется диффузией. Ток, который при этом возникает - диффузионным. Выравнивание концентраций происходило бы до тех пор, пока дырки и электроны не распределились бы равномерно, но этому мешают силы возникающего внутреннего электрического поля. Дырки, уходящие из p - области оставляют в ней отрицательно ионизированные атомы, а электроны, уходящие из n - области - положительно ионизированные атомы. В результате дырочная область становится заряженной отрицательно, а электронная - положительно. Между областями возникает электрическое поле, созданное двумя слоями зарядов.

Таким образом, вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположных по знаку зарядов, которые образуют так называемый p - n переход. Между p и n областями устанавливается потенциальный барьер. В рассматриваемом случае внутри образовавшегося p - n перехода действует электрическое поле E, созданное двумя слоями противоположных зарядов. Если направление электронов, попавших в электрическое поле, совпадает с ним, то электроны тормозятся. Для дырок - наоборот. Таким образом, благодаря возникшему электрическому полю, процесс диффузии прекращается. На рис.2.2 видно, что и в n- и в p- области имеются как основные, так и неосновные носители заряда. Неосновные носители образуются за счёт собственной проводимости. Электроны p - области, совершая тепловое хаотическое движение, попадают в электрическое поле p - n перехода и переносятся в n область. То же происходит с дырками n - области. Ток, образованный основными носителями, называют диффузионным током, а неосновными - током проводимости. Эти токи направлены навстречу друг другу, и так как в изолированном проводнике общий ток равен нулю, то они равны. Приложим теперь к переходу внешнее напряжение плюсом к n - области, а минусом к p - области. Поле, создаваемое внешним источником, усилит действие внутреннего поля p - n перехода. Диффузионный ток уменьшится до нуля, так как электроны из n - области и дырки из p - области увлекаются от p - n перехода к внешним контактам, в результате чего p - n переход расширяется. Через переход проходит только ток проводимости, который называют обратным. Он состоит из электронного и дырочного токов проводимости. Напряжение, приложенное таким образом, называют обратным напряжением. Зависимость тока от напряжения показано на рис.2.3.(1). Если же внешнее напряжение приложено плюсом к p - области, а минусом к n - области, то электрическое поле источника будет направлено навстречу полю p - n перехода и ослабит его действие. При этом увеличится диффузионный (прямой) ток рис.2.3.(2). Это явление положено в основу работы полупроводникового диода (Ронжин Ю.Н., 1982).

Рис.2.3. Характеристика p-n перехода (рисунок выполнен авторами)

Полупроводниковые диоды

р - n переход является основой полупроводниковых диодов, которые применяются для выпрямления переменного тока, детектирования модулированных колебаний, создания параметрических стабилизаторов напряжения, получения конденсаторов, ёмкость которых изменяется в зависимости от величины приложенного напряжения, и многих других целей. В основу работы диода положено свойство p - n перехода хорошо пропускать ток в одном направлении и плохо в другом. Диод состоит из одного p - n перехода и проводит ток в одном направлении только тогда, когда величина напряжения, приложенного к диоду, больше величины потенциального барьера. Для германиевого диода минимальное внешнее напряжение равно 0, 3 вольта, а для кремниевого - 0, 7 вольта. Если монокристалл полупроводникового материала с одного конца легировать примесями типа р, а с другого - примесями типа n, то между областями с различным типом проводимости образуется р - n переход. Некоторые дырки из области р диффундируют в область n. В результате область р получает небольшой отрицательный заряд. Аналогичным образом электроны из области n диффундируют в область р, и область n оказывается заряженной положительно. В тонком слое между областями n и р электроны и дырки рекомбинируют, и так как этот слой в результате имеет очень мало свободных носителей заряда, его называют обедненным слоем. Этот слой действует как потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов, и переход находится в состоянии динамического равновесия (рис. 2.4, а). Если внешнее напряжение приложено к выводам диода таким образом, что анод (А) имеет положительный потенциал по отношению к катоду (К), то будет наблюдаться уменьшение толщины обедненного слоя. Потенциальный барьер при этом снижается, что способствует протеканию тока через переход. С увеличением внешнего напряжения ток через переход возрастает по экспоненциальному закону до тех пор, пока внешнее напряжение не станет равным величине потенциального барьера, т. е. результирующее напряжение на переходе станет равным нулю. Дальнейшее возрастание тока через переход ограничивается только сопротивлением полупроводникового материала. Если полярность внешнего напряжения изменить на обратную, то величина потенциального барьера возрастет, и основные носители не смогут преодолеть потенциальный барьер. В этих условиях, однако, через переход будет протекать незначительный ток, называемый обратным током. При возрастании внешнего обратного напряжения этот ток остается постоянным, пока напряжение не достигнет точки пробоя. В этой точке при постоянном напряжении ток быстро возрастает (рис. 2.4, б).

Рис.2.4. Полупроводниковый переход с потенциальным барьером: а- образованным диффузией носителей зарядов; б- вольт-амперная характеристика полупроводникового диода, Масштаб по оси тока меняется при переходе через начало координат (рисунок выполнен авторами)

Таким образом, при смещении перехода в прямом направлении через него будет протекать достаточно большой ток, а при обратном смещении, меньшем пробивного, ток, протекающий через переход, крайне мал. Иными словами, такое устройство действует, как выпрямитель.

Рис.2.5. Типовые вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого полупроводниковых диодов, масштаб по оси тока и напряжения меняется при переходе через начало координат (рисунок выполнен авторами)

Левая часть характеристики называется обратной ветвью характеристики, правая часть - прямой ветвью.

В зависимости от формы и размера p - n перехода различают плоскостные и точечные диоды. У точечных диодов форма p - n перехода в виде точки, у плоскостных - в виде плоскости, имеющей значительную площадь. Плоскостные диоды могут пропускать значительные токи, но работают на невысоких частотах. Точечные диоды наоборот могут работать на высоких частотах, но пропускают маленькие токи (Справочник по электронике, 2010).

Рис.2.6. Схематическое устройство точечного и плоскостного диодов (рисунок выполнен авторами)

⇐ Предыдущая 123 4 5 6 7 8 9 10 Следующая ⇒