Примесная проводимость полупроводников

Проводимость полупроводников, обусловленная примесями, называется примесной. Примесями являются атомы посторонних элементов, тепловые и механические дефекты. Наличие в полупроводниках примеси существенно изменяет его проводимость. При введении в кремний 0,001% атомов бора его проводимость увеличивается в 1000 раз.

Примесную проводимость полупроводников рассмотрим на примере германия и кремния, в которые вводятся атомы с валентностью, отличной от валентности основных атомов на единицу. При замещении атома германия 5-валентным атомом мышьяка один электрон не может образовать ковалентной связи, он может быть легко при тепловых колебаниях решетки отщеплен от атома, то есть становится свободным. Образование свободного

Полупроводник n –типа.	Полупроводник p – типа.
Рис.3.	Рис.4.

электрона не сопровождается нарушением ковалентной связи, следовательно, в отличие от чистого полупроводника дырка не возникает.

Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня, называемого донорным. Этот уровень располагается от дна зоны на расстоянии для As = 0,015 эВ. Энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости (см. рис.3 и рис.5а).

	Этому процессу соответствует отщепление 5-го электрона от атома примеси. Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой больше основных атомов, имеется только один вид носителей тока – электроны. Соответственно, говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n – типа (от слова negative – отрицательный).
Рис.5.

Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются донорами.

Теперь рассмотрим случай, когда валентность примеси на единицу меньше валентности основных атомов. На рис.4 и рис.5б условно изображена решетка кремния с примесью 3-валентных атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять место, способное захватывать электрон. При переходе на это место электрона на одной из соседних пар возникает дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникает избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, возникают носители тока только одного вида – дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p – типу (от слова positive – положительный). Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными. В случае образования дырки происходит переход электрона из валентной зоны на примесный акцепторный уровень, расположенный недалеко от потолка валентной зоны (см.рис.4 и рис.5б).

3. Полупроводниковый диод. p-n – переход.

. Область соприкосновения таких полупроводников называется электронно-дырочным переходом (p – n переходом). При контакте лишние валентные электроны полупроводника n – типа перемещаются и заполняют свободные акцепторные уровни полупроводника p – типа. В результате в месте контакта образуется двойной электрический слой, обедненный носителями тока, который препятствует дальнейшему встречному движению электронов и дырок. Этот слой обладает повышенным сопротивлением, так как его толщина в 10000 раз больше контактного слоя проводников и в нем нет носителей тока. В зависимости от полярности приложенного к полупроводникам напряжения толщина этого слоя сильно меняется, что приводит к сильному изменению сопротивления.

Если на p – полупроводник подать положительное напряжение, а на n – полупроводник отрицательное, то толщина слоя уменьшится и его сопротивление падает (рис.6).

	Такое напряжение называется прямым. Если включить обратную полярность, то толщина слоя увеличивается и его сопротивление растет. Такое напряжение называется обратным (рис.7). Направление внешнего поля, расширяющего контактный электрический слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через p – n переход практически не проходит. Ток в запирающем слое
Рис.6.

в обратном направлении образуется за счет неосновных носителей тока (электронов в p – полупроводнике и дырок в n – полупроводнике), концентрация которых очень мала.

	Если приложенное к p – n переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя, то оно вызовет движение электронов и дырок к границе p – n перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Следовательно, в этом направлении ток проходит через p – n переход (рис.6). Оно называется прямым.
Рис.7.

Различие в сопротивлениях при прямом и обратном включениях достигает 10 ⁴ – 10 ⁵ раз. Поэтому p – n переход обладает выпрямляющим действием, то есть пропускает ток только в одном направлении. Таким образом, p – n переход обладает односторонней (вентильной) проводимостью, что используется для выпрямления и преобразования переменных токов.

Вентильное действие p – n перехода аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы – диоду и полупроводниковое устройство, содержащее один p – n переход называется полупроводниковым диодом.

Кристаллические триоды или транзисторы содержат два p – n перехода.

Вольт-амперная характеристика p – n перехода имеет вид (рис.8)

Рис.8.

Дата добавления: 2014-01-04