Лекция 13 электропроводность полупроводников

13.1 Собственная и примесная электропроводность полупроводников

Полупроводники – материалы, занимающие по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк, огромное количество сплавов и химических соединений).

Электропроводностью полупроводников можно управлять температурой (в терморезисторах), светом (в фоторезисторах), давлением (в тензорезисторах), электрическим полем (в варисторах).

Собственная электропроводность– это электропроводность полупроводников при отсутствии примесей. Электроны становятся свободными при поглощении некоторого количества энергии (тепла, света и др.). Атом кристаллической решетки, потерявший электрон, приобретает положительный заряд и называется«дыркой». В отсутствие электрического поля свободные электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то электроны и дырки приобретают упорядоченное движение.

n-проводимость– электронная проводимость.

р-проводимость– дырочная - создается поочередным замещением электронами друг друга: отрицательно заряженный электрон притягивается к дырке, имеющей положительный заряд, и дырка превращается в нейтральный атом, а то место в кристаллической решетке, откуда отделился электрон, превращается в новую дырку и т.д.

Примесная электропроводность– электропроводность полупроводников с примесями. Примесная электропроводность требует меньше энергии, чем собственная и обнаруживается при более низких температурах.

Донорные примеси– это примеси, которые увеличиваютn-проводимость и у которых валентных электронов больше, чем у атомов данного полупроводника.

Акцепторные примеси– это примеси, которые увеличивают р-проводимость и у которых валентных электронов меньше, чем у атомов данного полупроводника.

Полупроводники n-типа– полупроводники с донорными примесями.

Полупроводники р-типа– полупроводники с акцепторными примесями.

Si – Si – Si – Si

| | | |

Si – Si – In Si

| | | |

Si – Si – Si – Si

●е

Рис. 13.1 Кристаллическая решетка кремния с примесью мышьяка (а) и индия (б)

б)

● У атома кремния (Si – IV группа в таблице Менделеева) - 4 валентных электрона; у атома мышьяка (As – V группа в таблице Менделеева)5 валентных электронов. Четыре электрона атома мышьяка (As) образуют связи с четырьмя соседними атомами кремния (Si), а пятый электрон связи не образует. Он слабо связан и легко становится свободным (рис. 13.1, а).

● У атома индия (In–IIIгруппа в таблице Менделеева) 3 валентных электрона. Три электрона атомаIn(рис. 13.1, б) образуют связи с 3 соседними атомамиSi, а одной химической связи не хватает. Чтобы ее заполнить необходима малая энергия (электрон как бы притягивается к примеси (к атому индия). При этом образуется четвертая связь,Inпревращается в отрицательный неподвижный ион, а а в том месте, откуда отделился электрон, образуется дырка. Эстафетное перескакивание электронов из дырки в дырку создает движение дырок.

13.2 p-n-Перехо́д

p-n-Перехо́д или электронно-дырочный переход— область пространства на стыке двух полупроводников p-типа и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому (рис. 13.2). p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов.

Диффузионный ток– это перенос зарядов (электронов и дырок), из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При этом границаp-n-перехо́да заряжается. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Граница раздела будет окружена двумя областями заряда противоположного знака.

Дрейфовый ток– ток, противоположный по направлению диффузионному току, вызванный электрическим полем, возникающим вследствие образования заряда на границе p-n-перехо́да. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и перетекание зарядов прекращается.

Если к p-n-перехо́ду приложить прямое напряжение, ток основных носителей увеличится, а если к p-n-Перехо́ду приложить обратное напряжение, то ток основных носителей от этого уменьшится.

Полупроводниковый диод- полупроводниковый прибор с однимp-n-переходом. и двумя выводами (электродами). Прямой ток в диодах создается электронами, а обратный дырками. Обратный ток настолько мал, что его условно можно считать равным нулю, поэтому диоды применяются, например, для выпрямления переменного тока.

Транзи́стор - полупроводниковый триод (с тремя выводами), в котором осуществленp-n-p-переход Транзистор используется в аналоговой и цифровой технике для усиления и преобразования электрических сигналов так как небольшое изменение входного напряжения или тока приводит к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Вся современная цифровая техника построена, в основном, на металл-оксид-полупроводник-транзисторах (МОПТ). Транзисторы изготавливаются на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 22 нм. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1-2 см² могут разместиться несколько миллиардов МОПТ.

Рис. 13.2 р-n – Переход Рис. 13.3 р-n-р-Переход