Мета роботи

 

Вивчення характеристик селенового випрямляча.

 

3.2. Загальні положення

 

Напівпровідники займають по величині електропровідності проміжне положення між металами і ізоляторами. Їх провідність зростає з підвищенням температури. Напівпровідниками є речовини, в яких валентна зона повністю заповнена електронами, а ширина забороненої зони невелика.

Для виникнення власної провідності чистого напівпровідника необхідно електрони із заповненої валентної зони перевести в зону провідності. Для цього потрібно витратити енергію, рівну, принаймні, ширині забороненої зони. При цьому в зоні провідності з'являється деяке число носіїв струму – електронів, що займають рівні поблизу дна зони, одночасно у валентній зоні визволяється таке ж число місць на верхніх рівнях. Такі вільні від електронів місця на рівнях заповненої при абсолютному нулі валентної зони називають дірками. Дірка поводиться як позитивний заряд, рівний по величині заряду електрона. На визволене електроном місце (дірку) може переміститися електрон з нижче розташованого енергетичного рівня, а це еквівалентно, тому, що перемістилася позитивна дірка; вона з'явиться в новому місці, звідки пішов електрон.

У зовнішньому електричному полі виникає спрямований рух електронів і, отже, електропровідність напівпровідника виявляється відмінною від нуля. Та частина провідності, яка пов'язана з наявністю електронів в зоні провідності, називається електронною, а провідність, обумовлена переміщенням дірок у валентній зоні (рис. 3.1), – дірковою, тобто власна провідність напівпровідника носить змішаний електронно-дірковий характер.

Окрім власної провідності, напівпровідники можуть мати домішкову провідність, обумовлену домішками, внесеними до кристалічної решітки.

Донорні і акцепторні домішки. Як донорні домішки використовуються елементи V групи періодичної системи Д.І. Менделєєва: фосфор, миш'як і сурма, як акцепторні – елементи III групи: бор, галій, індій. Сам напівпровідник – це монокристал германію або кремнію.

На рис. 3.2 показана кристалічна решітка напівпровідника Si, в якій деякі атоми замінені атомами донорної домішки Р.

Кремнієм є елемент IV групи з чотирма валентними електронами. Якщо замінити який-небудь з атомів кремнію атомом фосфору, то п'ятивалентний фосфор чотирма електронами забезпечить парноелектронні зв'язки з кремнієм, і поблизу залишиться один надлишковий електрон, який слабо пов'язаний з іоном : енергія зв'язку складає еВ, що значно менше ширини енергетичної щілини еВ в чистому кремнії.

Таким чином, вже при кімнатній температурі енергія теплових коливань стає достатньою, щоб перекинути електрон з донорного рівня в зону провідності. Оскільки слабко зв’язані електрони домішки «жертвуються» в зону провідності, то відповідні домішкові рівні називаються донорними, і напівпровідник з такою домішкою називається донорними або n-типу, оскільки в результаті введення домішки з'являються електрони – носії негативного (negative) заряду. Провідність такого напівпровідника називають ще і електронною провідністю.

Аналогічний ефект отримують, якщо в монокристал Si ввести тривалентну домішку, наприклад індій або галій. Різниця в тому, що атому (рис. 3.3) бракуватиме одного електрона, щоб утворити парноелектронні зв'язки з чотирма атомами кремнію. Тому забраклий електрон буде «захоплений» в атома кремнію. При цьому утворюється іон і іон .

Вакантний зв'язок отримав назву «дірки», а механізм провідності за допомогою вакантних електронів – діркової провідності (або р-типу). Дірка – це квазічастинка, існування якої обумовлене квантовомеханічними ефектами в кристалі. Вона аналогічна електрону з тією лише різницею, що заряд її позитивний і дорівнює по абсолютній величині заряду електрона, а ефективна маса дещо відрізняється від маси електрона. Іон може захопити електрон в сусіднього атома і т. д., внаслідок чого дірка в кристалі переміститься з одного місця в інше.

Акцепторні енергетичні рівні розташовані недалеко від заповненої валентної зони.

Цікавими властивостями володіє контакт двох різних напівпровідників: n- і р-типів (рис. 3.4). Тут змальований плавний перехід, в якому на відстані ~0,1 мкм провідність р-типу переходить в провідність n-типу. Ця відстань називається шириною металургійного переходу. З малюнка видно, що ліворуч і праворуч від місця контакту за рахунок рекомбінації дірок і електронів утворився збіднений шар, шириною 1 мкм. Подальшому переходу дірок і електронів від більш віддалених атомів заважає електричне поле виниклого об'ємного заряду. Воно відштовхує дірки вліво, а електрони управо, перешкоджаючи руху нових дірок з області p і нових електронів з області n, тобто виникає потенційний бар'єр, як для дірок, так і для електронів. Іншими словами, утворюється контактне поле, направлене від n-напівпровідника до р-напівпровідника.

Замкнемо зовнішнім електричним колом р-n-перехід. Досвід показує, що опір р-n-переходу залежить від напряму зовнішнього поля. Заштрихована область на рис. 3.5 відповідає ширині збідненого шару, що володіє опором (запірний шар): а) без зовнішнього поля; б) позитивний полюс підключений до р-напівпровідника. В цьому випадку зовнішнє поле буде спрямоване протилежно контактному полю, ширина збідненого шару значно звузиться. Це так званий прямий або пропускний напрям струму.

Якщо полярність зовнішнього джерела зробити зворотною (рис. 3.5, в), то напрям зовнішнього поля збіжиться з напрямом контактного поля . Збіднений шар значно розширюється, опір р-n-переходу зростає в сотні разів. Це так званий зворотний або запірний напрям струму.

Таким чином, р-n-перехід пропускає струм переважно в одному напрямі, діючи як випрямляч або діод.