Общие положения

 

Полупроводники занимают по величине электропроводности промежуточное положение между металлами и изоляторами. Их проводимость растет с повышением температуры. Полупроводниками являются вещества, у которых валентная зона полностью заполнена электронами, а ширина запрещенной зоны невелика.

Для возникновения собственной проводимости чистого полупроводника необходимо электроны из заполненной валентной зоны перевести в зону проводимости. Для этого нужно затратить энергию, равную, по крайней мере, ширине запрещенной зоны. При этом в зоне проводимости появляется некоторое число носителей тока – электронов, занимающих уровни вблизи дна зоны, одновременно в валентной зоне освобождается такое же число мест на верхних уровнях. Такие свободные от электронов места на уровнях заполненной при абсолютном нуле валентной зоны называют дырками. Дырка ведет себя как положительный заряд, равный по величине заряду электрона. На освобожденное электроном место (дырку) может переместиться электрон с ниже расположенного энергетического уровня, а это равносильно, тому, что переместилась положительная дырка; она появится в новом месте, откуда ушел электрон.

Во внешнем электрическом поле возникает направленное движение электронов и, следовательно, электропроводность полупроводника оказывается отличной от нуля. Та часть проводимости, которая связана с наличием электронов в зоне проводимости, называется электронной, а проводимость, обусловленная перемещением дырок в валентной зоне (рис. 3.1) - дырочной, т. е. собственная проводимость полупроводника носит смешанный электронно-дырочный характер.

Помимо собственной проводимости, полупроводники могут иметь примесную проводимость, обусловленную примесями, внесенными в кристаллическую решетку.

Донорные и акцепторные примеси. В качестве донорных примесей используются элементы V группы периодической системы Д.И. Менделеева: фосфор, мышьяк и сурьма, в качестве акцепторных – элементы III группы: бор, галлий, индий. Сам полупроводник – это монокристалл германия или кремния.

На рис. 3.2 показана кристаллическая решетка полупроводника Si, в которой некоторые атомы заменены атомами донорной примеси Р.

Кремний представляет собой элемент IV группы с четырьмя валентными электронами. Если заменить какой-либо из атомов кремния атомом фосфора, то пятивалентный фосфор четырьмя электронами обеспечит парноэлектронные связи с кремнием, и поблизости останется один избыточный электрон, который слабо связан с ионом : энергия связи составляет эВ, что значительно меньше ширины энергетической щели эВ в чистом кремнии.

Таким образом, уже при комнатной температуре энергия тепловых колебаний становится достаточной, чтобы перебросить электрон с донорного уровня в зону проводимости. Поскольку слабо связанные электроны примеси «жертвуются» в зону проводимости, то соответствующие примесные уровни называются донорными, и полупроводник с такой примесью называется донорными или n-типа, так как в результате введения примеси появляются электроны – носители отрицательного (negative) заряда. Проводимость такого полупроводника называют еще и электронной проводимостью.

Аналогичный эффект получают, если в монокристалл Si ввести трехвалентную примесь, например индий или галлий. Разница в том, что атому (рис. 3.3) будет не хватать одного электрона, чтобы образовать парноэлектронные связи с четырьмя атомами кремния. Поэтому недостающий электрон будет «захвачен» у атома кремния. При этом образуется ион и ион .

Вакантная связь получила название «дырки», а механизм проводимости посредством вакантных электронов – дырочной проводимости (или р-типа). Дырка – это квазичастица, существование которой обусловлено квантовомеханическими эффектами в кристалле. Она аналогична электрону с той лишь разницей, что заряд ее положителен и равен по абсолютной величине заряду электрона, а эффективная масса несколько отличается от массы электрона. Ион может захватить электрон у соседнего атома и т. д., в результате чего дырка в кристалле переместится из одного места в другое.

Акцепторные энергетические уровни расположены невдалеке от заполненной валентной зоны.

Интересными свойствами обладает контакт двух различных полупроводников: n- и р-типов (рис. 3.4). Здесь изображен плавный переход, в котором на расстоянии ~0,1 мкм проводимость р-типа переходит в проводимость n-типа. Это расстояние называется шириной металлургического перехода. Из рисунка видно, что слева и справа от места контакта за счет рекомбинации дырок и электронов образовался обедненный слой, шириной 1 мкм. Дальнейшему переходу дырок и электронов от боле удаленных атомов мешает электрическое поле возникшего объемного заряда. Оно отталкивает дырки влево, а электроны вправо, препятствуя движению новых дырок из области p и новых электронов из области n, т. е. возникает потенциальный барьер, как для дырок, так и для электронов. Другими словами, образуется контактное поле, направленное от n-полупроводника к р-полупроводнику.

Замкнем внешней электрической цепью р-n-переход. Опыт показывает, что сопротивление р-n-перехода зависит от направления внешнего поля. Заштрихованная область на рис. 3.5 соответствует ширине обедненного слоя, обладающего сопротивлением (запирающий слой): а) без внешнего поля; б) положительный полюс подключен к р-полупроводнику. В этом случае внешнее поле будет направлено противоположно контактному полю , ширина обедненного слоя значительно сузится. Это так называемое прямое или пропускное направление тока.

Если полярность внешнего источника сделать обратной (рис. 3.5, в), то направление внешнего поля совпадет с направлением контактного поля . Обедненный слой значительно расширяется, сопротивление р-n-перехода возрастает в сотни раз. Это так называемое обратное или запорное направление тока.

Таким образом, р-n-переход пропускает ток преимущественно в одном направлении, действуя как выпрямитель или диод.