Механизм проводимости полупроводника

В отношении электропроводящих свойств все вещества делятся на три класса: проводники (удельное сопротивление порядка 10^-6 ¸ 10^-4 Ом/см), полупроводники (10⁵ ¸ 10⁸ Ом/см) и диэлектрики (10⁹ ¸ 10¹⁵ Ом/см). К полупроводникам относятся наиболее часто применяемые в электронике кремний и германий, а также некоторые окислы, сульфиды и другие химические соединения и элементы. В полупроводниках валентные электроны достаточно прочно удерживаются в ковалентных связях, но все же менее прочно, чем в диэлектриках. Под действием внешних факторов (таких как нагревание, освещение, радиация и т.д.) в полупроводниках некоторые валентные электроны отрываются от своих атомов и могут свободно перемещаться по объему кристалла. На месте оторвавшегося электрона остается свободное место («дырка»), которое может быть занято валентным электроном соседнего атома, который, в свою очередь, также оставляет после себя дырку и т.д. Т.о. дырка перемещается по объему кристалла. При изучении процессов в полупроводниках удобно рассматривать такую дырку как некоторую виртуальную свободную положительно заряженную частицу. Ее заряд равен по модулю заряду электрона.

Можно считать, что в полупроводнике непрерывно идет процесс образования пар свободных заряженных частиц – электронов и дырок. Одновременно идет процесс рекомбинации – при встрече электрона и дырки они связываются. В результате этих двух процессов устанавливается постоянная (при неизменных внешних условиях) концентрация свободных зарядов, находящихся в хаотическом тепловом движении, которые и обеспечивают проводимость полупроводника. При комнатной температуре концентрация свободных электронов (и равная ей концентрация дырок) составляет порядка 1 на 10⁷ - 10⁹ атомов кристалла, и с ростом температуры возрастает. Поэтому удельное сопротивление чистого полупроводника с ростом температуры уменьшается.

При внесении в полупроводник даже незначительного количества примесей концентрация свободных электронов или дырок может резко возрасти. Если валентность примеси больше валентности полупроводника, то «лишние» валентные электроны атомов примеси не задействованы в ковалентных связях и могут относительно легко отрываться, не оставляя после себя дырки. В полупроводнике с такой (донорной) примесью (он называется n – полупроводником, от латинского слова negativ –отрицательный) резко возрастает концентрация свободных электронов. Если валентность примеси меньше, чем у основного материала (акцепторная примесь), то столь же резко возрастает концентрация свободных дырок. Полупроводник с акцепторной примесью называется p – полупроводником (от слова positiv – положительный).

Важно отметить, что и после введения примеси в полупроводниках остаются свободные заряды обоих знаков, но в существенно разных концентрациях. Так, в p–полупроводнике кроме «примесных» дырок имеется относительно малое количество «собственных» электронов (и «собственных» дырок).

2. P–N переход

Если плотно соединить два кристалла примесного полупроводника с разными типами проводимости, то в районе контакта происходят следующие процессы:

Рис.1.

Свободные электроны из n – области диффундируют в p – область и рекомбинируют там с дырками. На месте ушедших и рекомбинировавших электронов остается нескомпенсированный положительный заряд ионов кристаллической решетки. Аналогично ведут себя и дырки p – области. В результате вблизи границы образуются тонкие слои с объемными зарядами и создается электрическое поле p – n перехода напряженностью Е, которое препятствует дальнейшей диффузии примесных носителей. Для собственных носителей (электронов в p – области и дырок в n – области) это поле является ускоряющим, и через границу раздела протекает ток собственных носителей, в результате чего объемный заряд уменьшается. Устанавливается динамическое равновесие – общий ток примесных носителей равен по величине и противоположен по направлению общему току собственных, так что суммарный ток через переход равен нулю, и устанавливается определеная постоянная величина объемного заряда, а также, соответственно, и постоянная напряженность поля Е.

3. Вольт – амперная характеристика p – n перехода

Если подключить к рассмотренной системе внешнее постоянное напряжение – плюсом к p – области, а минусом к n – области, то созданное этим напряжением электрическое поле направлено противоположно полю перехода. Результирующая напряженность поля в области перехода уменьшается, что облегчает перемещение примесных носителей через переход. Поэтому первоначальное равновесие токов нарушается, и через переход начинает протекать ток примесных носителей, называемый прямым током. Он достаточно резко (нелинейно) возрастает с ростом внешнего напряжения. При внешнем напряжении порядка 1 вольта запирающий слой перехода практически исчезает и ток ограничивается только омическим сопротивлением p и n областей.

При подаче внешнего напряжения плюсом к n – области, а минусом – к p – области, ток примесных носителей резко уменьшается, так как суммарная напряженность поля перехода увеличивается, а ток собственных носителей остается неизменным. Через переход протекает обратный ток. Его величина не зависит от внешнего напряжения (вплоть до напряжения пробоя) и определяется только концентрацией собственных носителей и площадью перехода. Так как собственных носителей значительно меньше, чем примесных, то обратный ток значительно меньше прямого (при одинаковых по модулю и достаточно больших обратном и прямом напряжениях). Поэтому можно считать, что p – n переход пропускает ток только в одном направлении – при прямом включении.

График зависимости тока от напряжения для некоторого p – n перехода приведен на рис. 2.

Рис.2