Электропроводность полупроводников

Электроны легче освобождаются от связей в том полу­проводнике, у которого ∆W меньше. Так, при комнатной температуре концентрация носителей в германии составля­ет около 10¹³ см^-3, а в кремнии — 10¹⁰ см^-3. Соответствен­но удельное сопротивление германия 50 Ом • см, а крем­ния — 10⁵ Ом • см.

Тип электропроводности полупроводника можно изме­нить, вводя в полупроводник примеси. Примеси могут быть донорные и акцепторные.

Электронно-дырочным или р — n -переходом на­зывают переходный слой у границы раздела двух областей полупроводника с различным типом электропроводности. Он составляет основу многих полупроводниковых при­боров.

Модель р — n -перехода показана на рис. 12.4, а. Ионы примесей изображены квадратиками, а электроны и дырки — соответственно темными и светлыми кружками.

В области р основными носителями являются дырки, а ионизированные атомы примесей представляют собой от­рицательные ионы. В равновесном состоянии эта область электрически нейтральна, так как концентрация дырок равна концентрации ионов. В области п основные носи­тели — электроны, а атомы доноров — положительные ионы. Эта область также нейтральна. При возникновении контакта между такими областями носители стремятся равномерно распределиться по всему объему. Начинается диффузия дырок из области р в область п и электронов в обратном направлении. Дырки и электроны подходят к границе раздела областей и здесь рекомбинируют. Так как часть дырок и электронов исчезает, то соответ­ствующее число ионов примесей оказывается нескомпенсированным. Здесь возникают избыточные объемные заря­ды (рис. 12.4,6).

Из области р ушли дырки и остались нескомпенсированные отрицательные ионы примесей, поэтому здесь образуется отрицательный объемный разряд — Q. По этой же причине в области п у границы раздела создается положительный объемный заряд + Q. Между объемными зарядами возникает электрическое поле, вектор напря­женности которого Е_q направлен из области п в область р.

В установившемся состоянии поле объемных зарядов полностью затормозит диффузию. В результате этого возни­кает зона с низкой концентрацией носителей, в которой существует электрическое поле. Эта зона и есть р – n -пе­реход. Ширина р - n -пе­рехода составляет около 0,1 — 1 мкм и зависит от концентрации примесей в по­лупроводниках. Разность потенциалов между р -об­ластью и n -областью полупроводника для германия — 0,3—0,4 В.

При включении кристалла полупроводника с р-n - переходом в электрическую цепь состояние перехода ме­няется.

При подключении источника питания положительным полюсом к области р, а отрицательным — к области n электрическое поле, создаваемое источником, направлено против поля объемных зарядов. Основные носители начнут двигаться к переходу и через переход потечет электри­ческий ток. Так как концентрация основных носителей велика, то даже при небольшом напряжении ток будет значительным. Такое включение р-n -перехода называют прямым, а состояние перехода — открытым.

Если поменять полярность источника питания, то его поле будет направлено согласно с полем объемных заря­дов. Под действием суммарного электрического поля ос­новные носители отойдут от перехода. Зона объемных зарядов станет шире. В этом случае включение р-n -перехода называют обратным. Через переход могут про­ходить только неосновные носители, а так как их кон­центрация на много порядков ниже, чем основных, то и обратный ток на несколько порядков меньше прямого.

Такое состояние перехода на­зывается закрытым.

Зависимость тока через переход от приложенного напряжения называют вольт-амперной характе­ристикой (ВАХ) перехода. Ее общий вид показан на рис. 12.6. Часть характеристики I_np — f(U_np) называют прямой ветвью. Она соответствует прямому включению перехода. Обратная ветвь характеристики I_обр = f (U_обр) соответствует закрытому состоянию перехода. Обратный ток создается неосновными носителями, а их концентра­ция в полупроводнике ограничена. Поэтому уже при малых напряжениях наступает насыщение, т. е. все носители участвуют в создании тока. Концентрация неоснов­ных носителей заряда зависит от температуры. С увели­чением температуры на каждые 10° обратный ток уве­личивается для германия в 2 раза, а для кремния — в 2,5 раза.

Концентрация неосновных носителей заряда зависит от энергии связей электронов с атомами самого полупро­водника. У германия эта энергия значительно меньше, чем у кремния. Поэтому концентрация неосновных носителей в германии будет значительно выше и обратный ток почти на порядок больше, чем в кремнии.

Если U_обр постепенно повышать, то при определенном значении напряжения обратный ток через переход резко увеличивается — происходит пробой перехода. Мож­но выделить два основных вида пробоя: электрический и тепловой. При электрическом пробое напряжение на переходе поддерживается почти постоянным. При отклю­чении перехода от источника его свойства восстанавли­ваются. При тепловом пробое область р - n -перехода разогревается и переход разрушается. Электрический про­бой может существовать длительно, если не перейдет в тепловой.

При повышении температуры окружающей среды ухудшается теплоотвод и напряжение теплового пробоя уменьшится. Поэтому полупроводниковые приборы монти­руются на радиаторах, имеющих большую поверхность охлаждения.