Главная | Обратная связь

Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-переходов.

Количество известных в настоя­щее время полупроводниковых ма­териалов довольно велико. Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые по­лупроводниковые вещества — гер­маний, кремний, селен — и слож­ные полупроводниковые материа­лы — арсенид галлия, фосфид гал­лия и др. Значения удельного элек­трического сопротивления в чистых полупроводниковых материалах ле­жат в диапазоне от 0,65 Ом-м (германий) до 10⁸ Ом·м (селен).

В чистых полупроводниках кон­центрация носителей заряда — сво­бодных электронов и дырок — составляет лишь 10¹⁶—10¹⁸ на 1 см³ вещества. Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности — электрон­ной при преобладании свободных электронов или дырочной при пре­обладании дырок — в чистые по­лупроводники вносят определенные примеси. Такой процесс называют легированием, а соответству­ющие полупроводниковые материалы — легированными.

В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Ле­гирующие элементы III группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторными примесями, элементы V группы—электронную электропроводность и называются донорными примесями.

Удельное электрическое сопротивление легированного полупро­водника существенно зависит от концентрации примесей. При кон­центрации примесей 10²⁰—10²¹ на 1 см³ вещества оно может быть снижено до 5-10^-6 Ом·м для германия и 5-10^-5 Ом·м для кремния. Однако даже в сильнолегированных полупроводниках один атом примеси приходится на 10³—10⁴ атомов полупроводника.

Слаболегированные полупроводники используют для изготов­ления маломощных полупроводниковых диодов и транзисторов. 3 мощных и импульсных диодах, транзисторах и тиристорах при­меняют сильнолегированные полупроводники с малыми удельными сопротивлениями.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости на­зывают p-n-переходом.

Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полу­проводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную электро­проводность.

Одна половина структуры, показанной на Рис. 1.8, легиро­вана примесью n-типа, другая — примесью p-типа. На границе перехода дырки устремляются в слой n-типа, а электроны — в слой p-типа до тех пор, пока не установится равновесие и не образуется область без свободных носителей. Эта область назы­вается обедненным слоем и, при отсутствии носителей заряда, сохраняет свойства диэлектриков.

Нарастание заряда в обедненном слое — это внутренний эф­фект, т.е. изменение разности потенциалов на концах p-n-пере­хода не наблюдается. Однако если к p-слою приложить положи­тельный потенциал, а к n-слою — отрицательный, как показано наРис. 1.9а, то дырки устремятся через переход из p-слоя в n-слой, а электроны — из n-слоя в p-слой. Возникнет ток, и при­бор заработает.

Если к p-слою приложить отрицательный потенциал, а к n-слою — положительный, как показано наРис. 1.9б, некото­рые электроны и дырки переместятся, и основным эффектом бу­дет увеличение обедненного слоя. После кратковременного протекания тока (эквивалентного зарядке конденсатора небольшой емкости), прибор перестанет проводить ток. На самом деле не­большой ток, вызванный неосновными носителями, все-таки бу­дет протекать. Обычно его в расчет не принимают.

Таким образом, вольтамперная характеристика p-n-перехода имеет ярко выраженную нелинейную форму, что можно уви­деть на Рис. 1.10. Из рисунка следует, что, для того чтобы пере­ход открылся (через него стал протекать ток), требуется неболь­шое напряжение, приложенное к переходу в прямом направле­нии. Оно необходимо для того, чтобы носители смогли преодо­леть потенциальный барьер в обедненном слое, составляющий около 0.2 В для германия и 0.7 В для кремния

Сам по себе p-n-переход — это прекрасный выпрямитель, но, помимо этого, он является основным элементом более сложных полупроводниковых приборов.