Полупроводники. Собственная и примесная проводимость полупроводников. Устройство и принцип действия полупроводникового диода.

Полупроводники́ — материалы, по своей удельной проводимости занимающие промежуточное место между проводниками и диэлектриками. В природе они существуют в виде элементов(4, 5, 6 групп), например, Si, Ge, As, Se, и химических соединений сульфидов, оксидов и т.д.

Различают собственные (чистые) и примесные полупроводники.

При нагревании до температуры Т > 0 К, а также освещении или облучении электронные (ковалентные) связи могут разрываться что приводит к образованию свободных электронов.В месте разрыва ковалентной связи возникает вакантное для электрона место - дырка, которая соответствует положительному заряду. Дырку могут занять либо электроны соседних ковалентных связей, либо свободный электрон. Вследствие этого она начинает перемещаться по кристаллу. С увеличением температуры возрастает число свободных электронов (больше разрывается связей) и соответственно дырок.

При создании в таком полупроводнике электрического поля включением его в электрическую проводящую цепь возникнет направленное перемещение электронов и дырок, то есть пойдет электрический ток.

Таким образом, в чистых полупроводниках при обычных условиях всегда есть равное число свободных электронов и дырок, которые и обусловливают собственную электропроводность полупроводника. Собственная проводимость - проводимость собственных(чистых) полупроводников(Ge, Se, GaAs).

С точки зрения квантовой (зонной) теории полупроводники имеют, кроме валентной зоны (I) и зоны проводимости (3). запрещенную зону (2), значения энергии которой электроны иметь не могут.

При T = 0 К валентная зона полностью заполнена электронами и, ширина запрещенной зоны, невелика, энергетические уровни зоны проводимости свободны. Если электроны получают энергию при нагревании полупроводника или энергию электромагнитного поля, при облучении светом или радиоактивными излучениями, то электроны способны перейти в зону проводимости (рис 3) становясь свободными. При этом в валентной зоне возникают дырки Полупроводник способен проводить ток, носителями которою будут электроны и дырки. Противоречий между классическими представлениями и квантовыми нет.

Итак, ток собственной проводимости полупроводника складывается из тока электронов и дырок.

Примесная проводимость полупроводников

В зависимости от природы примеси примесная проводимость может быть двух типов: n-типа — электронная, р-типа — дырочная. Проводимость n-типа образуется в случае, когда к основному полупроводнику (например, кремнию) прибавляется небольшое количество примеси, имеющей большую валентность (например, мышьяк). Тогда при построении кристаллической решетки у атома примеси будет лишний электрон. К электронам собственной проводимости добавятся электроны примеси. Но этой причине концентрация электронов будет значительно больше, чем дырок. Основными носителями тока будут электроны (их много), а неосновными — дырки (их мало). Такая проводимость примесного полупроводника получила название n-типа (электронная), так как примесь является донором (поставщиком) электронов. В случае, когда примесь имеет меньшую валентность, чем основной полупроводник (например, кремний Si) с бором B, то при построении решетки у атомов бора не будет хватать одного электрона. Появится незаполненная связь дырка. В примесном полупроводнике концентрация дырок будет значительно больше, чем электронов. Такой тип примесной проводимости назвали p-типом (дырочная), так как примесь является собирателем (акцептором) электронов. Наличие даже небольшого количества примеси увеличивает проводимость полупроводника в миллионы раз, поэтому ток в примесном полупроводнике образуется в основном либо электронами, либо дырками.

Квантовая теория объясняет образование примесных полупроводников различными положениями энергетических уровней доноров и акцепторов (примесей) по отношению к валентной зоне (1) проводимости (3) в кристалле полупроводника. Энергетические уровни донора близки к уровням зоны проводимости. Электроны легко переходят в неё, не образуя в валентной зоне дырок. Основными носителями будут электроны(n-тип). Энергетические уровни акцептора лежат, ближе к валентной зоне, поэтому электронам валентной зоны легко перейти из нее, образуя в ней дырки. Основными носителями будут дырки (проводимость р-типа).

Полупровдниковые диоды

В любом полупроводниковом приборе имеется один или несколько электронно-дырочных переходов. Электронно-дырочный переход (или n–p-переход) – это область контакта двух полупроводников с разными типами проводимости. При контакте двух полупроводников n- и p-типов начинается процесс диффузии: дырки из p-области переходят в n-область, а электроны, наоборот, из n-области в p-область. В результате в n-области вблизи зоны контакта уменьшается концентрация электронов и возникает положительно заряженный слой. В p-области уменьшается концентрация дырок и возникает отрицательно заряженный слой. Таким образом, на границе полупроводников образуется двойной электрический слой, поле которого препятствует процессу диффузии электронов и дырок навстречу друг другу (рис. 1.14.1). Пограничная область раздела полупроводников с разными типами проводимости (так называемый запирающий слой) обычно достигает толщины порядка десятков и сотен межатомных расстояний. Объемные заряды этого слоя создают между p- и n-областями запирающее напряжение U_з

n–p-переход обладает удивительным свойством односторонней проводимости.

Образование запирающего слоя при контакте полупроводников p- и n- типов

Если полупроводник с n–p-переходом подключен к источнику тока так, что положительный полюс источника соединен с n-областью, а отрицательный – с p-областью, то напряженность поля в запирающем слое возрастает. Дырки в p-области и электроны в n-области будут смещаться от n–p-перехода, увеличивая тем самым концентрации неосновных носителей в запирающем слое. Ток через n–p-переход практически не идет. Напряжение, поданное на n–p-переход в этом случае называют обратным. Весьма незначительный обратный ток обусловлен только собственной проводимостью полупроводниковых материалов, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-области и дырок в n-области.

Если n–p-переход соединить с источником так, чтобы положительный полюс источника был соединен с p-областью, а отрицательный с n-областью, то напряженность электрического поля в запирающем слое будет уменьшаться, что облегчает переход основных носителей через контактный слой. Дырки из p-области и электроны из n-области, двигаясь навстречу друг другу, будут пересекать n–p-переход, создавая ток в прямом направлении. Сила тока через n–p-переход в этом случае будет возрастать при увеличении напряжения источника.

Способность n–p-перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в приборах, которые называются полупроводниковыми диодами. Полупроводниковые диоды изготавливают из кристаллов кремния или германия. При их изготовлении в кристалл c каким-либо типом проводимости вплавляют примесь, обеспечивающую другой тип проводимости.

Полупроводниковые диоды используются в выпрямителях для преобразования переменного тока в постоянный.

Электропроводность п-р-перехода сильно зависит от температуры, поэтому обратный ток с повышением температуры увеличивается:

 

Таким образом, n-p переход обладает односторонней электропроводностью. Это его основное свойство, которое положено в основу устройства и принципа действия полупроводниковою диода.

Диод представляет собой электронно-дырочный переход, защищенный от действия света и электромагнитных излучений металлическим кожухом и имеющий радиатор для температурной стабилизации.

 

 

Плюсы: высокий кпд(98%), длительный срок службы, прочность.

Минусы: зависимость от температуры.

 

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться: