Полупроводники - широкий класс веществ, характеризующийся значениями удельной электропроводности, лежащей в диапазоне между удельной элек-тропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как не являются хорошими изоля-торами), так и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К полупроводникам, например, относят такие вещества как германий, кремний, селен, теллур, а также некоторые оксиды, сульфиды и сплавы металлов.
Свойства:
1) С повышением температуры удельное сопротивление полупроводников уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление с повышением температуры увеличивается. Причем как правило в широком интервале температур возрастание это происходит экспоненционально. Удельное сопротивление полупроводниковых кристаллов может также уменьшаться при воздействии света или сильных электронных полей.
2) Свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводников. Именно это свойство используется при создании разнообразных полупроводни-ковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и др.
3) Контакты различных полупроводников в определенных условиях при осве-щении или нагревании являются источниками фото - э. д. с. или, соответственно, термо - э. д. с.
Полупроводники отличаются от других классов твердых тел многими специфическими особенностями, главнейшими из которых являются :
1) положительный температурный коэффициент электропроводности, то есть с повышением температуры электропроводность полупроводников растет;
2) удельная проводимость полупроводников меньше, чем у металлов, но больше, чем у изоляторов;
3) большие значения термоэлектродвижущей силы по сравнению с металлами;
4) высокая чувствительность свойств полупроводников к ионизирующим излучениям;
5) способность резкого изменения физических свойств под влиянием ничтожно малых концентраций примесей;
6) эффект выпрямления тока или неомическое поведение на контактах.
3. Физические процессы в p-n – переходе.
Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n -переход), представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая - дырочную.
Образование p-n перехода. P-n переход в равновесном состоянии
Рассмотрим подробнее процесс образования p-n перехода. Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Напомним, что в р -области имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные отрицательно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные положительно заряженные дырки; а в n -области имеются также два вида основных носителей заряда: неподвижные положительно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные отрицательно заряженные электроны.
До соприкосновения p и n областей электроны дырки и ионы примесей распределены равномерно. При контакте на границе p иn областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и диффузия. Под действием диффузии электроны из n -области переходит в p и рекомбинирует там с дырками. Дырки из р -области переходят в n -область и рекомбинируют там с электронами. В результате такого движения свободных носителей заряда в пограничной области их концентрация убывает почти до нуля и в тоже время в р области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n -области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φ к и электрическое поле Е к , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- иn- областей через р-n- переход. Таким образом область, объединённая свободными носителями заряда со своим электрическим полем и называется р-n- переходом.
P-n -переход характеризуется двумя основными параметрами:
1. Высота потенциального барьера . Она равна контактной разности потенциалов φ к . Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд чтобы преодолеть потенциальный барьер:
где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; N а и N Д – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; р р и р n – концентрации дырок в р- и n- областях соответственно; n i – собственная концентрация носителей заряда в нелигированном полупроводнике, т =кТ/е - температурный потенциал. При температуре Т =27 0 С т =0.025В, для германиевого перехода к =0,6В, для кремниевого перехода к =0,8В.
2. Ширина p-n-перехода (рис.1) – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p и n областях: l p-n = l p + l n :
Отсюда ,
где ε – относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; ε 0 - диэлектрическая постоянная свободного пространства.
Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1-10)мкм. Если , то и p-n -переход называется симметричным, если , то и p-n -переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.
В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-n переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует, и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю
I др + I диф = 0.
Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n -переходе.
Поверхность, по которой контактируют p и n области называется металлургической границей. Реально она имеет конечную толщину - δ м . Если δ м << l p-n , то p-n -переход называют резким. Если δ м >>l p-n , то p-n -переход называют плавным.
Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему
Внешнее напряжение нарушает динамическое равновесие токов в p-n -переходе. P-n -переход переходит в неравновесное состояние. В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n -перехода возможно два режима работы.
1) Прямое смещение p-n перехода . Р-n- переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р -области, а отрицательный к n -области (рис.1.2)
При прямом смещении, напряжения к и U направлены встречно, результирующее напряжение на p-n -переходе убывает до величины к - U . Это приводит к тому, что напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, прямое смещении уменьшает ширину p-n перехода, т.к. l p-n ≈ ( к – U) 1/2 . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, становится много больше дрейфового. Через p-n -переход протекает прямой ток
I р-n =I пр =I диф +I др I диф .
При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией , а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.
При увеличении U ток резко возрастает, - температурный потенциал, и может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями концентрация которых велика.
2) Обратное смещение , возникает когда к р -области приложен минус, а к n -области плюс, внешнего источника напряжения (рис.1.3).
Такое внешнее напряжение U включено согласно к . Оно: увеличивает высоту потенциального барьера до величины к + U ; напряженность электрического поля возрастает; ширина p-n перехода возрастает, т.к. l p-n ≈( к + U) 1/2 ; процесс диффузии полностью прекращается и через p-n переход протекает дрейфовый ток, ток неосновных носителей заряда. Такой ток p-n -перехода называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации то его называют тепловым током и обозначают - I 0 , т.е.
I р-n =I обр =I диф +I др I др = I 0 .
Этот ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n перехода обладает односторонней проводимостью.
При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p и n -областей к границе p-n перехода. Достигнув ее неосновные носители попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией . Экстракция и создает обратный ток p-n перехода – это ток неосновных носителей заряда.
Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода.
Температурная зависимость обратного тока определяется выражением , где - номинальная температура, - фактическая температура, - температура удвоения теплового тока .
Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с к материала.
С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток.
Итак, главное свойство p-n -перехода – это его односторонняя проводимость.
4. Вольтамперная характеристика p-n – перехода.
Получим вольт-амперную характеристику p-n перехода. Для этого запишем уравнение непрерывности в общем виде:
Будем рассматривать стационарный случай dp/dt = 0.
Рассмотрим ток в квазинейтральном объеме полупроводника n-типа справа от обедненной области p-n перехода (x > 0). Темп генерации G в квазинейтральном объеме равен нулю: G = 0. Электрическое поле E тоже равно нулю: E = 0. Дрейфовая компонента тока также равна нулю: I E = 0, следовательно, ток диффузионный . Темп рекомбинации R при малом уровне инжекции описывается соотношением:
Воспользуемся следующим соотношением, связывающим коэффициент диффузии, длину диффузии и время жизни неосновных носителей: Dτ = L p 2 .
С учетом отмеченных выше допущений уравнение непрерывности имеет вид:
Граничные условия для диффузионного уравнения в p-n переходе имеют вид:
Решение дифференциального уравнения (2.58) с граничными условиями (*) имеет вид:
Соотношение (2.59) описывает закон распределения инжектированных дырок в квазинейтральном объеме полупроводника n-типа для электронно-дырочного перехода (рис. 2.15). В токе p-n перехода принимают участие все носители, пересекшие границу ОПЗ с квазинейтральным объемом p-n перехода. Поскольку весь ток диффузионный, подставляя (2.59) в выражение для тока, получаем (рис. 2.16):
Соотношение (2.60) описывает диффузионную компоненту дырочного тока p-n перехода, возникающую при инжекции неосновных носителей при прямом смещении. Для электронной компоненты тока p-n перехода аналогично получаем:
При V G = 0 дрейфовые и диффузионные компоненты уравновешивают друг друга. Следовательно, .
Полный ток p-n перехода является суммой всех четырех компонент тока p-n перехода:
Выражение в скобках имеет физический смысл обратного тока p-n перехода. Действительно, при отрицательных напряжениях V G < 0 ток дрейфовый и обусловлен неосновными носителями. Все эти носители уходят из цилиндра длиной L n со скоростью L n /τ p . Тогда для дрейфовой компоненты тока получаем:
Рис. 2.15. Распределение неравновесных инжектированных из эмиттера носителей по квазинейтральному объему базы p-n перехода
Нетрудно видеть, что это соотношение эквивалентно полученному ранее при анализе уравнения непрерывности.
Если требуется реализовать условие односторонней инжекции (например, только инжекции дырок), то из соотношения (2.61) следует, что нужно выбрать малое значение концентрации неосновных носителей n p0 в p-области. Отсюда следует, что полупроводник p-типа должен быть сильно легирован по сравнению с полупроводником n-типа: N A >> N D . В этом случае в токе p-n перехода будет доминировать дырочная компонента (рис. 2.16).
Рис. 2.16. Токи в несимметричном p-n nереходе при прямом смещении
Таким образом, ВАХ p-n перехода имеет вид:
Плотность тока насыщения J s равна:
ВАХ p-n перехода, описываемая соотношением (2.62), приведена на рисунке 2.17.
Рис. 2.17. Вольт-амперная характеристика идеального p-n перехода
Как следует из соотношения (2.16) и рисунка 2.17, вольт-амперная характеристика идеального p-n перехода имеет ярко выраженный несимметричный вид. В области прямых напряжений ток p-n перехода диффузионный и экспоненциально возрастает с ростом приложенного напряжения. В области отрицательных напряжений ток p-n перехода - дрейфовый и не зависит от приложенного напряжения.
5. Емкость p-n – перехода.
Любая система, в которой при изменении потенциала φ меняется электрический заряд Q, обладает емкостью. Величина емкости С определяется соотношением: .
Для p-n перехода можно выделить два типа зарядов: заряд в области пространственного заряда ионизованных доноров и акцепторов Q B и заряд инжектированных носителей в базу из эмиттера Q p . При различных смещениях на p-n переходе при расчете емкости будет доминировать тот или иной заряд. В связи с этим для емкости p-n перехода выделяют барьерную емкость C B и диффузионную емкость C D .
Барьерная емкость C B - это емкость p-n перехода при обратном смещении V G < 0, обусловленная изменением заряда ионизованных доноров в области пространственного заряда.
Величина заряда ионизованных доноров и акцепторов Q B на единицу площади для несимметричного p-n перехода равна:
Дифференцируя выражение (2.65), получаем:
Из уравнения (2.66) следует, что барьерная емкость C B представляет собой емкость плоского конденсатора, расстояние между обкладками которого равно ширине области пространственного заряда W. Поскольку ширина ОПЗ зависит от приложенного напряжения V G , то и барьерная емкость также зависит от приложенного напряжения. Численные оценки величины барьерной емкости показывают, что ее значение составляет десятки или сотни пикофарад.
Диффузионная емкость C D - это емкость p-n перехода при прямом смещении V G > 0, обусловленная изменением заряда Q p инжектированных носителей в базу из эмиттера Q p .
Зависимость барьерной емкости С B от приложенного обратного напряжения V G используется для приборной реализации. Полупроводниковый диод, реализующий эту зависимость, называется варикапом. Максимальное значение емкости варикап имеет при нулевом напряжении V G . При увеличении обратного смещения емкость варикапа уменьшается. Функциональная зависимость емкости варикапа от напряжения определяется профилем легирования базы варикапа. В случае однородного легирования емкость обратно пропорциональна корню из приложенного напряжения V G . Задавая профиль легирования в базе варикапа N D (x), можно получить различные зависимости емкости варикапа от напряжения C(V G) - линейно убывающие, экспоненциально убывающие.
6. Полупроводниковые диоды: классификация, особенности конструкции, условные обозначения и маркировка.
Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним электрическим переходом и двумя выводами (электродами). В отличие от других типов диодов, принцип действия полупроводникового диода основывается на явлении p-n -перехода.
Здравствуйте уважаемые читатели сайта . На сайте есть раздел посвященный начинающим радиолюбителям, но пока что для начинающих, делающих первые шаги в мир электроники, я толком ничего и не написал. Восполняю этот пробел, и с этой статьи мы начинаем знакомиться с устройством и работой радиокомпонентов (радиодеталей).
Начнем с полупроводниковых приборов. Но чтобы понять, как работает диод, тиристор или транзистор, надо представлять, что такое полупроводник . Поэтому мы, сначала изучим структуру и свойства полупроводников на молекулярном уровне, а затем уже будем разбираться с работой и устройством полупроводниковых радиокомпонентов.
Общие понятия.
Почему именно полупроводниковый диод, транзистор или тиристор? Потому, что основу этих радиокомпонентов составляют полупроводники – вещества, способные, как проводить электрический ток, так и препятствовать его прохождению.
Это большая группа веществ, применяемых в радиотехнике (германий, кремний, селен, окись меди), но для изготовления полупроводниковых приборов используют в основном только Кремний (Si) и Германий (Ge).
По своим электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками электрического тока.
Свойства полупроводников.
Электропроводность проводников сильно зависит от окружающей температуры.
При очень низкой
температуре, близкой к абсолютному нулю (-273°С), полупроводники не проводят
электрический ток, а с повышением
температуры, их сопротивляемость току уменьшается
.
Если на полупроводник навести свет , то его электропроводность начинает увеличиваться. Используя это свойство полупроводников, были созданы фотоэлектрические приборы. Также полупроводники способны преобразовывать энергию света в электрический ток, например, солнечные батареи. А при введении в полупроводники примесей определенных веществ, их электропроводность резко увеличивается.
Строение атомов полупроводников.
Германий и кремний являются основными материалами многих полупроводниковых приборов и имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона .
Атом германия состоит из 32 электронов, а атом кремния из 14. Но только 28 электронов атома германия и 10 электронов атома кремния, находящиеся во внутренних слоях своих оболочек, прочно удерживаются ядрами и никогда не отрываются от них. Лишь только четыре валентных электрона атомов этих проводников могут стать свободными, да и то не всегда. А если атом полупроводника потеряет хотя бы один электрон, то он становится положительным ионом .
В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый атом окружен четырьмя такими же атомами. Причем они расположены так близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг соседних атомов, тем самым связывая атомы в единое целое вещество.
Представим взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника в виде плоской схемы.
На схеме красные шарики с плюсом, условно, обозначают ядра атомов
(положительные ионы), а синие шарики – это валентные электроны
.
Здесь видно, что вокруг каждого атома расположены четыре точно таких же атома, а каждый из этих четырех имеет связь еще с четырьмя другими атомами и т.д. Любой из атомов связан с каждым соседним двумя валентными электронами, причем один электрон свой, а другой заимствован у соседнего атома. Такая связь называется двухэлектронной или ковалентной .
В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих, и по одному , заимствованных от четырех соседних атомов. Здесь уже не различишь, какой из валентных электронов в атоме «свой», а какой «чужой», так как они сделались общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу . На рисунке розовым и желтым кругами показана связь между внешними слоями оболочек двух соседних атомов.
Электропроводность полупроводника.
Рассмотрим упрощенный рисунок кристалла полупроводника, где атомы обозначаются красным шариком с плюсом, а межатомные связи показаны двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
При температуре, близкой к абсолютному нулю полупроводник не проводит ток, так как в нем нет свободных электронов . Но с повышением температуры связь валентных электронов с ядрами атомов ослабевает и некоторые из электронов, вследствие теплового движения, могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится «свободным », а там где он находился до этого, образуется пустое место, которое условно называют дыркой .
Чем выше температура полупроводника, тем больше в нем становится свободных электронов и дырок. В итоге получается, что образование «дырки» связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а сама дырка становится положительным электрическим зарядом равным отрицательному заряду электрона.
А теперь давайте рассмотрим рисунок, где схематично показано явление возникновения тока в полупроводнике .
Если приложить некоторое напряжение к полупроводнику, контакты «+» и «-», то в нем возникнет ток.
Вследствие тепловых явлений
, в кристалле полупроводника из межатомных связей начнет освобождаться
некоторое количество электронов (синие шарики со стрелками). Электроны, притягиваясь положительным
полюсом источника напряжения, будут перемещаться
в его сторону, оставляя после себя дырки
, которые будут заполняться другими освободившимися электронами
. То есть, под действием внешнего электрического поля носители заряда приобретают некоторую скорость направленного движения и тем самым создают электрический ток
.
Например: освободившийся электрон, находящийся ближе всего к положительному полюсу источника напряжения притягивается этим полюсом. Разрывая межатомную связь и уходя из нее, электрон оставляет после себя дырку . Другой освободившийся электрон, который находится на некотором удалении от положительного полюса, также притягивается полюсом и движется в его сторону, но встретив на своем пути дырку, притягивается в нее ядром атома, восстанавливая межатомную связь.
Образовавшуюся новую дырку после второго электрона, заполняет третий освободившийся электрон, находящийся рядом с этой дыркой (рисунок №1). В свою очередь дырки , находящиеся ближе всего к отрицательному полюсу, заполняются другими освободившимися электронами (рисунок №2). Таким образом, в полупроводнике возникает электрический ток.
Пока в полупроводнике действует электрическое поле , этот процесс непрерывен : нарушаются межатомные связи — возникают свободные электроны — образуются дырки. Дырки заполняются освободившимися электронами – восстанавливаются межатомные связи, при этом нарушаются другие межатомные связи, из которых уходят электроны и заполняют следующие дырки (рисунок №2-4).
Из этого делаем вывод: электроны движутся от отрицательного полюса источника напряжения к положительному, а дырки перемещаются от положительного полюса к отрицательному .
Электронно-дырочная проводимость.
В «чистом» кристалле полупроводника число высвободившихся в данный момент электронов равно числу образующихся при этом дырок, поэтому электропроводность такого полупроводника мала , так как он оказывает электрическому току большое сопротивление, и такую электропроводность называют собственной .
Но если в полупроводник добавить в виде примеси некоторое количество атомов других элементов, то электропроводность его повысится в разы, и в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной .
Электронная проводимость.
Допустим, в кристалле полупроводника, в котором атомы имеют по четыре валентных электрона, мы заменили один атом атомом, у которого пять валентных электронов. Этот атом своими четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника, а пятый валентный электрон останется «лишним » – то есть свободным. И чем больше больше окажется свободных электронов, а значит, такой полупроводник по своим свойствам приблизится к металлу, и чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи .
Полупроводники, обладающие такими свойствами, называют полупроводниками с проводимостью типа «n », или полупроводники n -типа. Здесь латинская буква n происходит от слова «negative» (негатив) — то есть «отрицательный». Отсюда следует, что в полупроводнике n -типа основными носителями заряда являются – электроны , а не основными – дырки.
Дырочная проводимость.
Возьмем все тот же кристалл, но теперь заменим его атом атомом, в котором только три свободных электрона. Своими тремя электронами он свяжется только с тремя соседними атомами, а для связи с четвертым атомом у него не будет хватать одного электрона. В итоге образуется дырка . Естественно, она заполнится любым другим свободным электроном, находящимся поблизости, но, в любом случае, в кристалле такого полупроводника не будет хватать электронов для заполнения дырок. И чем больше будет таких атомов в кристалле, тем больше будет дырок.
Чтобы в таком полупроводнике могли высвобождаться и передвигаться свободные электроны, обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами . Но электронов все равно не будет хватать, так как число дырок всегда будет больше числа электронов в любой момент времени.
Такие полупроводники называют полупроводниками с дырочной проводимостью или проводниками p -типа, что в переводе от латинского «positive» означает «положительный». Таким образом, явление электрического тока в кристалле полупроводника p-типа сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов – дырок. А это значит, что в полупроводнике p -типа основными носителями заряда являются дырки , а не основными — электроны.
Теперь, когда Вы имеете некоторое представление о явлениях, происходящих в полупроводниках, Вам не составит труда понять принцип действия полупроводниковых радиокомпонентов.
На этом давайте остановимся, а в рассмотрим устройство, принцип работы диода, разберем его вольт-амперную характеристику и схемы включения.
Удачи!
Источник:
1
. Борисов В.Г. — Юный радиолюбитель. 1985г.
2
. Сайт academic.ru: http://dic.academic.ru/dic.nsf/es/45172.
Одно из главных свойств p‑n‑перехода состоит в его способности пропускать электрический ток в одном (прямом) направлении в тысячи и миллионы раз лучше, чем в обратном.
Полупроводники - класс веществ, занимающих промежуточное положение между веществами, хорошо проводящими электрический ток (проводники, в основном металлы), и веществами, практически не проводящими электрического тока (изоляторы или диэлектрики).
Для полупроводников характерна сильная зависимость их свойств и характеристик от микроскопических количеств содержащихся в них примесей. Изменяя количество примеси в полупроводнике от десятимиллионных долей процента до 0,1–1%, можно изменить их проводимость в миллионы раз. Другое важнейшее свойство полупроводников состоит в том, что электрический ток переносится в них не только отрицательными зарядами - электронами, но и равными им по величине положительными зарядами - дырками.
Если рассматривать идеализированный полупроводниковый кристалл, абсолютно свободный от каких‑нибудь примесей, то его способность проводить электрический ток будет определяться так называемой собственной электропроводностью.
Атомы в кристалле полупроводника связаны между собой с помощью электронов внешней электронной оболочки. При тепловых колебаниях атомов тепловая энергия распределяется между электронами, образующими связи, неравномерно. Отдельные электроны могут получать количество тепловой энергии, достаточное для того, чтобы «оторваться» от своего атома и получить возможность свободно перемещаться в кристалле, т. е. стать потенциальными носителями тока (по‑другому можно сказать, что они переходят в зону проводимости). Такой уход электрона нарушает электрическую нейтральность атома, у него возникает положительный заряд, равный по величине заряду ушедшего электрона. Это вакантное место называют дыркой.
Так как вакантное место может быть занято электроном соседней связи, дырка также может перемещаться внутри кристалла и являться уже положительным носителем тока. Естественно, что электроны и дырки при этих условиях возникают в равных количествах, и электропроводность такого идеального кристалла будет в равной степени определяться как положительными, так и отрицательными зарядами.
Если на место атома основного полупроводника поместить атом примеси, во внешней электронной оболочке которого содержится на один электрон больше, чем у атома основного полупроводника, то такой электрон окажется как бы лишним, ненужным для образования межатомных связей в кристалле и слабо связанным со своим атомом. Достаточно в десятки раз меньше энергии, чтобы оторвать его от своего атома и превратить в свободный электрон. Такие примеси называют донорными, т. е. отдающими «лишний» электрон. Атом примеси заряжается, разумеется, положительно, но дырки при этом не появляется, так как дыркой может быть только вакансия электрона в незаполненной межатомной связи, а в данном случае все связи заполнены. Этот положительный заряд остается связанным со своим атомом, неподвижным и, следовательно, в процессе электропроводности участия принимать не может.
Введение в полупроводник примесей, внешняя электронная оболочка которых содержит меньшее количество электронов, чем в атомах основного вещества, приводит к появлению незаполненных связей, т. е. дырок. Как было сказано выше, эта вакансия может быть занята электроном из соседней связи, и дырка получает возможность свободного перемещения по кристаллу. Иными словами, движение дырки - это последовательный переход электронов из одной соседней связи в другую. Такие примеси, «принимающие» электрон, называют акцепторными.
Если приложить к структуре металл - диэлектрик полупроводник n‑типа напряжение (указанной на рисунке полярности), то в приповерхностном слое полупроводника возникает электрическое поле, отталкивающее электроны. Этот слой оказывается обедненным.
В полупроводнике p‑типа, где основными носителями являются положительные заряды - дырки, та полярность напряжения, которая отталкивала электроны, будет притягивать дырки и создавать обогащенный слой с пониженным сопротивлением. Смена полярности в этом случае приведет к отталкиванию дырок и образованию приповерхностного слоя с повышенным сопротивлением.
С увеличением количества примесей того или иного типа электропроводность кристалла начинает приобретать все более ярко выраженный электронный или дырочный характер. В соответствии с первыми буквами латинских слов negativus и positivus электронную электропроводность называют электропроводностью n‑типа, а дырочную - p‑типа, отмечая этим, какой тип подвижных носителей заряда для данного полупроводника является основным, а какой - неосновным.
При электропроводности, обусловленной наличием примесей (т. е. примесной), в кристалле по‑прежнему остается 2 типа носителей: основные, появляющиеся главным образом за счет введения в полупроводник примесей, и неосновные, обязанные своим появлением тепловому возбуждению. Содержание в 1 см 3 (концентрация) электронов n и дырок p для данного полупроводника при данной температуре есть величина постоянная: n − p = const. Это значит, что, увеличивая за счет введения примесей в несколько раз концентрацию носителей данного типа, мы во столько же раз уменьшаем концентрацию носителей другого типа. Следующее важное свойство полупроводников - их сильная чувствительность к температуре и облучению. С ростом температуры повышается средняя энергия колебания атомов в кристалле, и все большее количество связей будет подвергаться разрыву. Будут появляться все новые и новые пары электронов и дырок. При достаточно высоких температурах собственная (тепловая) проводимость может сравняться с примесной или даже значительно превзойти её. Чем выше концентрация примесей, тем при более высоких температурах будет наступать этот эффект.
Разрыв связей может осуществляться также за счет облучения полупроводника, например, светом, если энергия световых квантов достаточна для разрыва связей. Энергия разрыва связей у разных полупроводников различна, поэтому они по‑разному реагируют на те или иные участки спектра облучения.
В качестве основных полупроводниковых материалов используют кристаллы кремния и германия, а в роли примесей - бор, фосфор, индий, мышьяк, сурьму и многие другие элементы, сообщающие полупроводникам необходимые свойства. Получение полупроводниковых кристаллов с заданным содержанием примесей - сложнейший технологический процесс, проводимый в особо чистых условиях с использованием оборудования высокой точности и сложности.
Все перечисленные важнейшие свойства полупроводников используются для создания самых различных по своему назначению и областям применения полупроводниковых приборов. В технике широко используются диоды, транзисторы, тиристоры и многие другие полупроводниковые приборы. Применение полупроводников началось сравнительно недавно, а сегодня уже трудно перечислить все их «профессии». Они преобразуют световую и тепловую энергию в электрическую и, наоборот, с помощью электричества создают теплоту и холод (см. Гелиоэнергетика). Полупроводниковые приборы можно встретить в обычном радиоприемнике и в квантовом генераторе - лазере, в крошечной атомной батарее и в миниатюрных блоках электронной вычислительной машины. Инженеры не могут сегодня обходиться без полупроводниковых выпрямителей, переключателей и усилителей. Замена ламповой аппаратуры полупроводниковой позволила в десятки раз уменьшить габариты и массу электронных устройств, снизить потребляемую ими мощность и резко увеличить надежность.
Об этом можно прочесть в статье Микроэлектроника.
Мы рассказывали о проводниках и диэлектриках и вскользь упомянули о том, что есть промежуточная форма проводимости, которая при определенных условиях может принимать свойства проводника или диэлектрика. Этот тип веществ называют полупроводниками.
Напомню: по электрическим свойствам полупроводники занимают среднее место между проводниками и непроводниками тока.
Наиболее часто для производства полупроводников используют германий, кремний, реже — селен, закись меди и другие вещества.
Электропроводность полупроводников сильно зависит от окружающей температуры. При температуре, близкой к абсолютному нулю (- 273С), они ведут себя по отношению к электрическому току как изоляторы. Большинство же проводников, наоборот, при такой температуре становятся сверхпроводящими, т. е. почти не оказывают току никакого сопротивления. С повышением температуры проводников их сопротивление электрическому току увеличивается, а сопротивление полупроводников уменьшается. Электропроводность проводников не изменяется при действии на них света. Электропроводность же полупроводников под действием света, так называемая фотопроводность, повышается.
Полупроводники могут преобразовывать энергию света в электрический ток. Проводникам же это совершенно не свойственно. Электропроводность полупроводников резко увеличивается при введении в них атомов некоторых других элементов. Электропроводность же проводников при введении в них примесей понижается.
Германий и кремний, являющиеся исходными материалами многих современных полупроводниковых приборов, имеют во внешних слоях своих оболочек по четыре валентных электрона.
Всего же в атоме германия 32 электрона, а в атоме кремния 14. Но 28 электронов германия и 10 электронов кремния, находящиеся во внутренних слоях их оболочек, прочно удерживаются ядрами и ни при каких обстоятельствах не отрываются от них. Только четыре валентных электрона атомов этих полупроводников могут, да и то не всегда, стать свободными. Атом же полупроводника, потерявший хотя бы один электрон, становится положительным ионом. В полупроводнике атомы расположены в строгом порядке: каждый из них окружен четырьмя такими же атомами. Они к тому же расположены настолько близко друг к другу, что их валентные электроны образуют единые орбиты, проходящие вокруг всех соседних атомов, связывая их в единое вещество.
Такую взаимосвязь атомов в кристалле полупроводника можно представить себе в виде плоской схемы, как показано на рис. 1, а. Здесь большие шарики со знаком « + » условно изображают ядра атомов с внутренними слоями электронной оболочки (положительные ионы), а маленькие шарики — валентные электроны
. Каждый атом, окружен четырьмя точно такими же. Любой из них связан с каждым соседним двумя валентными электронами, один из которых «свой», а второй заимствован у «соседа». Это двухэлектронная, или валентная, связь. Самая прочная связь!
В свою очередь, внешний слой электронной оболочки каждого атома содержит восемь электронов: четыре своих и по одному от четырех соседних атомов. Здесь уже невозможно различить, какой из валентных электронов «свой», а какой «чужой», поскольку они стали общими. При такой связи атомов во всей массе кристалла германия или кремния можно считать, что кристалл полупроводника представляет собой одну большую молекулу. Схему взаимосвязи атомов в полупроводнике можно для наглядности упростить, изобразив ее так, как это сделано на рис. 1, 6. Здесь ядра атомов с внутренними электронными оболочками показаны в виде кружков со знаком плюс, а межатомные связи — двумя линиями, символизирующими валентные электроны.
Электропроводность полупроводников
При температуре, близкой к абсолютному нулю, полупроводник ведет себя как абсолютный непроводник, потому что в нем нет свободных электронов. Если повышения температуры нет, связь валентных электронов с атомными ядрами ослабевает и некоторые из них вследствие теплового движения могут покидать свои атомы. Вырвавшийся из межатомной связи электрон становится свободным (на рис. 1, б — черная точка), а там, где он был до этого, образуется пустое место. Это пустое место в межатомной связи полупроводника условно называют дыркой (на рис. 1 ,б — разорвавшаяся линия). Чем выше температура, тем больше появляется свободных электронов и дырок. Таким образом, образование в массе полупроводника дырки связано с уходом из оболочки атома валентного электрона, а возникновение дырки соответствует появлению положительного электрического заряда, равного отрицательному электрона.
Рис 1. Схема взаимосвязи атомов в кристале полупроводника (а) и упрощенная схема его структуры (б).
А теперь рассмотри рис. 2. На нем схематично изображено явление возникновения тока в полупроводнике. Причиной возникновения тока служит напряжение, приложенное к полюсам (на рис. 2 источник напряжения символизируют знаки « + » и « — ») . Вследствие тепловых явлений во всей массе полупроводника высвобождается из межатомных связей некоторое количество электронов (на рис. 2 они обозначены точками со стрелками). Электроны, освобождавшиеся вблизи положительного полюса источника напряжения, притягиваются этим полюсом и уходят из массы полупроводника, оставляя после себя дырки. Электроны, ушедшие из межатомных связей на некотором удалении от положительного полюса, тоже притягиваются им и движутся в его сторону. Но, встретив на своем пути дырки, электроны как бы «впрыгивают» в них (рис. 2, а), происходит заполнение межатомных связей. А ближние к отрицательному полюсу дырки заполняются другими электронами, вырвавшимися из атомов, расположенных еще ближе к отрицательному полюсу (рис. 2, б). Пока в полупроводнике действует электрическое поле, этот процесс продолжается: нарушаются одни межатомные связи — из них уходят валентные электроны, возникают дырки — и заполняются другие межатомные связи — в дырки «впрыгивают» электроны, освободившиеся из каких — то других межатомных связей (рис. 2, б-в).
Рис 2. Схема движения электронов и дырок.
При температуре выше абсолютного нуля в полупроводнике непрерывно возникают и исчезают свободные электроны и дырки даже тогда, когда нет внешних электрических полей. Но электроны и дырки движутся хаотически в разные стороны и не уходят за пределы полупроводника. В чистом полупроводнике число высвободившихся в каждый момент времени электронов равно числу образующихся при этом дырок . Общее же их число при комнатной температуре относительно невелико. Поэтому электропроводность такого полупроводника, (называемая собственной) , мала, он оказывает электрическому току довольно большое сопротивление. Но если в чистый полупроводник добавить даже ничтожное количество примеси в виде атомов других элементов, электропроводность его резко повысится. При этом в зависимости от структуры атомов примесных элементов электропроводность полупроводника будет электронной или дырочной .
Электронная проводимость
Если какой-либо атом в кристалле полупроводника заменить атомом сурьмы, имеющим во внешнем слое электронной оболочки пять валентных электронов, этот атом — «пришелец» четырьмя электронами свяжется с четырьмя соседними атомами полупроводника. Пятый же валентный электрон атома сурьмы окажется «лишним» и станет свободным. Чем больше в полупроводник будет введено атомов сурьмы, тем больше в его массе окажется свободных электронов. Следовательно, полупроводник с примесью сурьмы приближается по своим свойствам к металлу: для того чтобы через него проходил электрический ток, в нем не обязательно должны разрушаться межатомные связи. Их называют полупроводниками с электропроводностью или типа (n). Здесь латинская буква n — начальная буква латинского слова negativ (негатив), что значит «отрицательный» . Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что в полупроводнике типа n основными носителями тока являются отрицательные заряды, т.е. электроны.
Дырочная проводимость
Совсем иная картина получится, если в полупроводник ввести атомы с тремя валентными электронами, например индия. Каждый атом металла индия своими тремя электронами заполнит связи только с тремя соседними атомами полупроводника, а для заполнения связи с четвертым у него не хватает одного электрона. Образуется дырка. Она, конечно, может заполниться каким — либо электроном, вырвавшимся из валентной связи с другими атомами полупроводника. Однако независимо от того, где будут дырки, в массе полупроводника с примесью индия не будет хватать электронов для их заполнения. И чем больше будет введено в полупроводник примесных атомов индия, тем больше в нем образуется дырок. Чтобы в таком полупроводнике электроны могли перемещаться, совершенно обязательно должны разрушаться валентные связи между атомами. Вырвавшиеся из них электроны или же электроны, поступившие в полупроводник извне, движутся от дырки к дырке. А во всей массе полупроводника в любой момент времени число дырок будет больше общего числа свободных электронов. Их называют полупроводниками с дырочной электропроводностью или тип (р).
Латинская буква р — первая буква латинского слова positiv (позитив), что значит «положительный».
Этот термин в данном случае нужно понимать в том смысле, что явление электрического тока в массе полупроводника типа (р) сопровождается непрерывным возникновением и исчезновением положительных зарядов — дырок. Перемещаясь в массе полупроводника, дырки как бы являются носителями тока. Полупроводники типа р, так же как и типа n, обладают во много раз лучшей электропроводностью по сравнению с чистыми.
Надо сказать, что практически не существует как совершенно чистых полупроводников, так и абсолютно электропроводимых типов n и р. В полупроводнике с примесью индия обязательно есть небольшое количество атомов некоторых других элементов, придающих ему электронную проводимость, а с примесью сурьмы есть атомы элементов, создающих в нем дырочную электропроводность. Например, в полупроводнике, имеющем в целом электропроводность типа n, есть дырки, которые могут заполняться свободными электронами примесных атомов сурьмы. Вследствие этого электропроводность несколько ухудшится, но в целом он сохранит электронную проводимость. Аналогичное явление будет наблюдаться и в том случае, если в полупроводник с дырочным характером попадут свободные электроны.
Поэтому в полупроводниках типа n — основными носителями тока являются электроны (преобладает электронная электропроводность), а к полупроводниках типа р — основными носителями тока являются дырки (преобладает дырочная электропроводность).
Свое название полупроводники получили оттого, что они занимают промежуточное место между проводниками (металлы, электролиты, уголь), обладающими большой электропроводимостью, и изоляторами (фарфор, слюда, резина и другие), которые почти не проводят электрического тока.
Если сравнить удельное объемное сопротивление в Ом × см для различных веществ, то окажется, что проводники имеют: ρ U = 10 -6 - 10 -3 Ом × см; удельное сопротивление полупроводников: ρ U = 10 -3 - 10 8 Ом × см; а у диэлектриков: ρ U = 10 8 - 10 20 Ом × см. К полупроводникам относятся: окислы металлов - оксиды (Al 2 O 3 , Cu 2 O, ZnO, TiO 2 , VO 2 , WO 2 , MoO 3); сернистые соединения - сульфиды (Cu 2 S, Ag 2 S, ZnS, CdS, HgS); соединения с селеном - селениды; соединения с теллуром - теллуриды; некоторые сплавы (MgSb 2 , ZnSb, Mg 2 Sb, CdSb, AlSb, ClSb); химические элементы - германий, кремний, теллур, селен, бор, углерод, сера, фосфор, мышьяк, а также большое число сложных соединений (гален, карборунд и другие).
Рисунок 1. Германий
Рисунок 2. Кремний
Рисунок 3. Теллур
Полное и широкое исследование свойств полупроводников выполнено советским ученым А. Ф. Иоффе и его сотрудниками.
Электрические свойства полупроводников резко отличаются от свойств проводников и изоляторов. Электропроводимость проводников в сильной степени зависит от температуры, освещённости, наличия и интенсивности электрического поля, количества примесей. При обычной температуре в полупроводниках есть некоторое количество свободных электронов, образовавшихся вследствие разрыва электронных связей. У полупроводников различают два вида проводимости: электронную и дырочную. Носителями заряда в полупроводниках при электронной проводимости являются свободные электроны, а при дырочной - связи, лишенные электронов.
Рассмотрим следующий опыт. Возьмем металлический проводник и будем нагревать один его конец, тогда нагретый конец проводника получит положительный заряд. Это объясняется перемещением электронов от горячего конца к холодному, в результате чего на горячем конце проводника получается недостаток электронов (положительный заряд), а на холодном конце избыток электронов (отрицательный заряд). Кратковременное протекание тока по проводнику было вызвано перемещением электронов с одного края проводника на другой. Таким образом, здесь речь идет о проводнике с электронной проводимостью. Однако существуют вещества, которые при подобном опыте ведут себя иначе: нагретый край такого вещества получает отрицательный заряд, а холодный край - положительный заряд. Это возможно, если предположить, что перенос тока осуществляется положительными зарядами.
Рисунок 4. Связь между атомами вещества
  |
| Рисунок 5. Собственная проводимость полупроводников |
  |
| Рисунок 6. Электронная проводимость полупроводника |
  |
| Рисунок 7. Дырочная проводимость полупроводника |
Познакомимся с другим видом проводимости у полупроводников - дырочной проводимостью. В чистых полупроводниках все электроны, слабо связанные с ядрами, участвуют в электронных связях. На рисунке 4, а условно показана заполненная связь между атомами вещества. "Дыркой" называется элемент кристаллической решетки вещества, потерявший электрон, что соответствует появлению положительного заряда (рисунок 4, б ).
Освободившаяся связь может вновь оказаться заполненной, если "дырка" захватит электрон из соседней связи (рисунок 4, в ). Это вызовет переход "дырки" на новое место. В веществе полупроводника, находящегося в нормальных условиях, направление вылета электронов и место образования "дырки" носят хаотический характер. Если к чистому полупроводнику приложить постоянное напряжение, то электроны и "дырки" будут перемещаться (первые против направления сил поля, вторые в противоположном направлении). Если число образующихся "дырок" будет равно числу освободившихся электронов, то, как это бывает у чистых полупроводников, проводимость полупроводников невелика (собственная проводимость). Наличие даже небольшого количества посторонних примесей может изменить механизм электропроводимости: сделать его электронным или дырочным. Рассмотрим конкретный пример. В качестве полупроводника возьмем германий (Ge). В кристалле германия каждый атом связан с четырьмя другими атомами. При увеличении температуры или в результате облучения парные связи кристалла могут быть нарушены. При этом образуется равное количество электронов и "дырок" (рисунок 5).
Добавим к германию в качестве примеси мышьяк. Такая примесь обладает большим числом слабосвязанных электронов. Атомы примеси имеют свой энергетический уровень, располагающийся между энергетическими уровнями свободной и заполненной зон, ближе к последней (рисунок 6). Подобные примеси отдают свои электроны в свободную зону и называются донорными примесями. В полупроводнике окажется наличие свободных электронов, в то время как все связи будут заполнены. Полупроводник будет обладать электронной проводимостью в свободной зоне.
Если теперь в качестве примеси к германию добавит не мышьяк, а индий, то произойдет следующее. Такая примесь обладает малым числом слабо связанных электронов, а энергетический уровень примеси располагается между энергетическими уровнями свободной и заполненной зон, ближе к свободной зоне (рисунок 7). Примеси этого рода принимают в свою зону электроны из соседней заполненной зоны и называются акцепторными примесями. В полупроводнике окажутся незаполненные связи - "дырки" при отсутствии свободных электронов. Полупроводник будет обладать дырочной проводимостью в заполненной зоне.
Теперь станет понятным опыт нагрева полупроводника, когда нагретый конец получал отрицательный заряд, а холодный конец - положительный заряд. Под действием тепла на горячем конце начнут разрушаться связи, возникнут "дырки" и свободные электроны. Если полупроводник содержит примеси, то "дырки" начнут переходить к холодному концу, заряжая его положительно, а нагретый конец полупроводника зарядится отрицательно.
Заканчивая рассмотрение полупроводников, делаем следующий вывод.
Добавлением к полупроводнику примесей можно придать ему преобладающую электронную или дырочную проводимость. Исходя из этого, получают следующие типы полупроводников. Полупроводники с электронной проводимостью называют полупроводниками n -типа (негативные), а с дырочной проводимостью - p -типа (позитивные).
Предлагаем вам также посмотреть учебные видео-фильмы о полупроводниках:
List=PL_QCOTUIndSFAbWcR3t0wYp5IORVEHu3I