Краткая теория

Свойства и проводимость примесных полупроводников определяются имеющимися в них искусственно вводимыми примесями. Как известно, атомы германия или кремния, являющиеся полупроводниками, в узлах кристаллической решетки связаны четырьмя ковалентными связями с соседними атомами. Если часть атомов полупроводника в узлах кристаллической решетки заменить атомами другого вещества, имеющими иную валентность, то полупроводник приобретет примесную проводимость. Например, если при выращивании кристалла германия в расплав добавить, небольшое количество пятивалентного мышьяка (или фосфора), то последний внедрится в решетку кристалла, и четыре из его пяти валентных электронов образуют четыре ковалентные связи с атомами германия. Пятый электрон оказывается “лишним”, легко отщепляется от атома за счет энергии теплового движения и может участвовать в переносе заряда, т.е. создании тока в полупроводнике.

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, лишний электрон является электроном проводимости. Число таких электронов будет равно числу атомов примеси. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа (от слова negative - отрицательный). Атомы примеси, поставляющие свободные электроны, называются донорами.

 

Пятый электрон примеси занимает состояние чуть ниже края зоны проводимости, т.е. находится в запрещенной зоне (рис.1.а). Этот энергетический уровень называется донорным. Его положение вблизи зоны проводимости обусловливает легкость перехода электрона с донорного уровня в зону проводимости за счет тепловых колебаний решетки.

Рисунок 1

Обычно в полупроводнике n-типа число электронов проводимости превышает число атомов примеси, так как в зону проводимости дополнительно попадают электроны за счет разрыва ковалентных связей благодаря тепловым колебаниям решетки. Одновременно в полупроводнике образуется небольшое количество дырок. Поэтому в полупроводнике n-типа наряду с основными носителями заряда - электронами проводимости - имеется небольшое количество неосновных носителей заряда - дырок.

Германий или кремний можно легировать трехвалентными атомами, например, галлием, бором или индием. Три валентных электрона атома бора не могут образовать ковалентные связи со всеми четырьмя соседними атомами германия. Поэтому одна из связей оказывается неукомплектованной и представляет собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу.

Таким образом, в полупроводнике с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями заряда являются дырки. Число дырок определяется в основном числом атомов примеси. Проводимость такого полупроводника называется дырочной, а полупроводники называются полупроводниками р- типа (от слова positive - положительный ). Примеси, вызывающие появление дырок, называются акцепторными, а энергетические уровни, на которые переходят электроны для восполнения недостающей связи атома примеси, называются акцепторными уровнями. Акцепторные уровни располагаются в запрещенной зоне вблизи валентной зоны (см. рис. 1.б). Образованию дырки отвечает переход электронов из валентной зоны на один из акцепторных уровней.

Количество дырок в полупроводнике р- типа обычно превосходит число атомов доноров. Некоторое количество дырок образуется за счет перехода электронов в зону проводимости. Благодаря этому полупроводник р- типа наряду с основными носителями тока – дырками - обладает некоторым количеством неосновных носителей тока- электронами проводимости.

Если в пластину из монокристалла германия, например, с электронным механизмом проводимости ( п- типа ) вплавить кусочек индия, то атомы индия диффундируют в германий на некоторую глубину и получается пластина германия, в различных частях которой проводимость разная.

Тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающийся типам примесной проводимости, называют р-n-переходом. Во всех полупроводниковых приборах присутствуют р-п-переходы, которые обусловливают их работу.

Рисунок 2

Свободные электроны в полупроводнике n-типа обладают большой энергией, чем дырки в валентной зоне полупроводника р-типа, поэтому электроны из полупроводника n-типа переходят в полупроводник р- типа. В результате этого перехода уровень Ферми у первого полупроводника понижается, а у второго- повышается. Переход заканчивается, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках уравниваются ( рис.2).

Нижняя граница зоны проводимости определяет изменения потенциальной энергии электронов в направление, перпендикулярно к р-n- переходу. Заряд дырок противоположен заряду электрона, поэтому их потенциальная энергия больше там, где меньше потенциальная энергия электрона.

Рисунок 3

Благодаря переходу электронов в р- полупроводник в близи границы создаются избыток отрицательных зарядов, а в n-полупроводнике, наоборот, избыток положительных зарядов. Поэтому на границе возникает электрическое поле, вектор напряженности которого направлен от полупроводника n-типа к полупроводнику р-типа ( рис. 3).

В результате этого возникает запорный слой, обедненный основными носителями заряда (количество основных носителей заряда вблизи контакта каждой области уменьшается).

Одновременно возникает потенциальный барьер, препятствующий движению основных носителей заряда. Неосновные носители могут свободно диффундировать из одной области в другую под действием этого поля.

Устройство, состоящее из двух материалов различной проводимости, называется полупроводниковым диодом. Если его подключить к источнику напряжения так, чтобы положительный потенциал был подан на р-область, а отрицательный на n-область, то в диоде появится электрическое поле E, созданное источником напряжения и направленное навстречу полю р-n- перехода E₁ (рис.4). Оно ослабляет действие поля р-n- перехода и понижает потенциальный барьер. Область контакта обогащается основными носителями зарядов. Сопротивление контакта уменьшается. Под действием сторонних сил источника в цепи пойдет ток, направленный в диоде от р- к n- области. Такое включение источника называется прямым. р-n- переход при этом обладает сопротивлением R₊, которое можно подсчитать из формулы:

,

где U₊ и I₊ - соответственно напряжение и ток в контакте в проходном направлении.

Рисунок 4

Рисунок 5

Если же источник включить, как показано на рис. 5, электрическое поле источника, складываясь с полем запорного слоя, усиливает запорное поле. При этом потенциальный барьер возрастает, а запорный слой увеличивается. Через контакт могут переходить лишь неосновные носители заряда. Так как их концентрация мала, то ток, идущий через контакт, мал. Такое включение источника называется запорным.

Сопротивление р-n-перехода в этом случае определяется по формуле:

,

где U_– и I_– соответственно напряжение и токи в контакте в запорном направлении.

Зависимость I(U) тока, протекающего по диоду, от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода. Эта зависимость показана на рис. 6.

Количественно выпрямляющее действие диода оценивается коэффициентом выпрямления К. Коэффициент выпрямления равен отношению прямого тока к току в запорном направлении при одинаковых напряжениях:

.

Коэффициент выпрямления К не остается постоянным в разных режимах работы диода. С увеличением напряжения U он возрастает, достигая при некотором максимального значения, а затем убывает.

Односторонняя проводимость полупроводникового диода позволяет использовать его для выпрямления переменного тока.

Рисунок 6

Изменение внешнего напряжения U, приложенного к р—n-переходу, на значение dU приводит к изменению заряда q, создаваемого положительными и отрицательными ионами в переходе, а также переносимого через переход электронами и дырками на значение dq. Поэтому ЭДП ведет себя подобно конденсатору, емкость которого При этом различают зарядную (барьерную) и диффузную емкости.

Зарядная емкость ЭДП обусловлена изменением зарядов положительных и отрицательных ионов примесных атомов в p-n-переходе при изменении обратного напряжения. С этой точки зрения ЭДП можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого служат нейтральные p- и n-области, а диэлектриком – запирающий слой p-n-перехода толщиной d Емкость такого конденсатора равна .

Таким образом при подаче на р—n-переход обратного смещения, не превышающего U*_обр, он ведёт себя как высокодобротный конденсатор, у которого ёмкость С_в зависит от величины приложенного напряжения. Это свойство используют в варикапах, применяемых преимущественно для электронной перестройки резонансной частоты колебательных контуров, в параметрических полупроводниковых диодах, служащих для усиления СВЧ колебаний, в варакторах и умножительных диодах, служащих для умножения частоты колебаний в диапазоне СВЧ. В этих полупроводниковых диодах стремятся уменьшить величину сопротивления r_б (основной источник активных потерь энергии) и усилить зависимость ёмкости С_в от напряжения U_o6p. Пример вольт – фарадной характеристики (ВФХ) приве

Рисунок 7

дён на рис.7