Заняття 36 Електричний струм у напівпровідниках

Мета: ознайомити з новим типом носія заряду «діркою» та її властивостями, розглянути вплив домішок на провідність в напівпровідниках, ознайомитися з явищами в місцях контакту матеріалів з p- та n-провідністю, з основними характеристиками напівпровідникових пристроїв.

1. Напівпровідники

2. Електронна та діркова провідність

3. Домішкова провідність

4. Одностороння провідність контактного прошарку

5. Напівпровідникові діоди. Транзистори

Напівпровідники

До напівпровідників належать речовини, які за своїм питомим опором займають проміжне положення між речовинами, які добре проводять струм, і речовинами - ізоляторами, які не проводять струм (діелектрики). До напівпровідників належать 12 хімічних елементів, що утворюють групу всередині таблиці Менделєєва – B, C, Si, P, S, Ge, As, Se, Sn, Sb, Te,J та багато хімічних органічних і неорганічних з'єднань.

Встановлено, що на електропровідність напівпровідників впливають температура, зовнішні електричні та магнітні поля, рентгенівські промені, радіоактивні випромінювання та механічні навантаження.

Залежність опору напівпровідників від температури лежить в основі дії спеціальних пристроїв – терморезисторів, що є стовпчиком напівпровідника з контактами для включення в електричну мережу. Чим вище температура, тим менше опір терморезистора.

Залежність опору напівпровідника від освітлення лежить в основі дії фоторезистора. По мірі збільшення освітлення опір напівпровідника падає, сила струму в ланцюгу зростає.

Електронна та діркова провідність

Пояснення того факту, що при зовнішній дії на напівпровідник його опір падає, можна отримати, розглянув зв’язки між атомами напівпровідника. Провідність металів зумовлена вільними валентними електронами атома, які утворюють електронний газ. В напівпровідниках валентні електрони значно міцніше пов’язані з атомами та концентрація вільних електронів невелика. Але при зовнішньому впливі деякі електрони набувають енергію, достатню для розриву зв’язку, та стають вільними електронами провідності.

У того атома, від якого зовнішньою дією електрон був переведений у вільний стан, з’явилося вакантне місце з відсутнім електроном. Його називають «діркою». «Дірка» поводиться як позитивно заряджена частка. Будь-який електрон від сусіднього атома може зайняти вакантне місце, тоді «дірка» з’явиться у сусіднього атома. Таким чином, «дірка» блукає по кристалу, утворює діркову провідність, причому електрон блукає у зворотному напряму, зумовлює електрону провідність.

Провідність, що зумовлена рухом вільних електронів і «дірок» в чистих напівпровідниках і кристалах (без домішок), називається власною провідністю напівпровідника.

Провідність, що зумовлена наявністю домішок в напівпровідниках називається домішковою провідністю.

Домішкова провідність напівпровідників

Властивості напівпровідників сильно залежать від змісту домішок.

Нехай, наприклад, в кристалі кремнію є домішок п'ятивалентних атомів миш'яку, які заміщають у вузлах кристалічних ґраток атоми кремнію. П'ятивалентний атом миш'яку вступає в ковалентні зв'язки з чотирма атомами кремнію, а його п'ятий електрон виявляється незайнятим у зв'язках.

Енергія, необхідна для розриву зв'язку п'ятого валентного електрона з атомом миш'яку в кристалі кремнію, значно менше енергії, необхідної для відриву електрона від атома кремнію. Тому при кімнатній температурі майже всі атоми миш'яку позбавляються одного з електронів і стають позитивними іонами.

Позитивний іон миш'яку не може захопити електрон біля одного з сусідніх атомів кремнію, оскільки енергія зв'язку електронів з атомами кремнію значно перевищує енергію зв'язку п'ятого валентного електрона з атомом миш'яку. Тому естафетного переміщення електронної вакансії не відбувається, дірчастої провідності немає. Домішки, що поставляють електрони провідності без виникнення рівної їм кількості «дірок», називаються донорними.

У напівпровідниковому кристалі, що містить донорні домішки, електрони є основними, але неєдиними носіями струму, оскільки невелика частина власних атомів напівпровідникового кристала іонізована і в кристалі є невелика кількість «дірок». Напівпровідникові кристали, в яких електрони служать основними носіями заряду, а «дірки» - не основними, називаються електронними напівпровідниками або напівпровідниками n-типа.

При введенні в кристал кремнію невеликої домішки тривалентного елементу, наприклад індію, частина атомів кремнію заміщається цими атомами. Атом індію може здійснювати зв'язок тільки з трьома сусідніми атомами, а зв'язок з четвертим атомом кремнію виявляється незавершеним. Атом індія захоплює електрон біля одного з сусідніх атомів кремнію і стає нерухомим негативним іоном. Захоплення електрона від одного з атомів кремнію приводить до виникнення «дірки». Домішки, захоплюючі електрони і створюючи тим самим рухомі «дірки», не збільшуючи при цьому числа електронів провідності, називають акцепторними.

При низьких температурах основними носіями струму в напівпровідниковому кристалі з акцепторною домішкою є «дірки», а неосновними - електрони. Напівпровідники, в яких концентрація «дірок» перевищує концентрацію електронів провідності, називають напівпровідниками р-тіпа або дірчастими напівпровідниками.

Р-n перехід

Місце контакту двох напівпровідникових кристалів різного типу провідності називається p-n переходом.

Його можна створити штучним шляхом, ввівши атоми домішки в готовий кристал. На межі введення атомів домішки буде p-n перехід. Через межу, що розділяє область кристала з різними типами провідності, відбувається дифузія електронів (рис.а) і «дірок» (рис.б).

Дифузія електронів з n-ділянки в p-напів-провідник приводить до появи в електронному напівпровіднику нескомпенсованих додатних іонів донорної домішки (рис.в). В дірчастому напівпровіднику рекомбінація електронів з «дірками» приводить до появи зарядів негативних іонів акцепторної домішки, що не компенсуються (рис.г). Між двома шарами об'ємного заряду виникає електричне поле (рис.д). Прикордонна область розділу напівпровідників з різним типом провідності (вона називається замикаючим шаром) у зв'язку з відходом вільних електронів і дірок практично перетворюється на діелектрик (рис.е). Електричне поле переходу створює замикаюче напругу Uз. Наприклад, для германію Uз=0,35 В, для кремнію Uз= 0,6В.

Таким чином, p-n перехід володіє односторонньою провідністю. Ця властивість переходу використовується в напівпровідникових діодах.

Якщо p-n перехід з'єднати з джерелом струму так, щоб з його позитивним полюсом була сполучена область з електронною провідністю, то електрони в n-напівпровіднику і "дірки" в p-навіпровіднику віддаляються зовнішнім полем від замикаючого шару в різні боки, збільшуючи його товщину. Цей спосіб включення p-n переходу називається включенням в замикаючому або у зворотному напрямі.

Якщо p-n перехід з'єднати з джерелом струму так, щоб позитивний полюс був сполучений з областю з дірчастою провідністю, а негативний - з областю з електронною провідністю, то переходи основних носіїв через p-n перехід полегшуються. Рухаючись назустріч один одному, основні носії входять в замикаючий шар, зменшуючи його опір. Сила струму через p-n перехід в цьому випадку при напругах, перевищуючих U_з, обмежується лише опором зовнішнього електричного ланцюга. Цей спосіб включення називається включенням в пропускному або в прямому напрямі.

Таким чином, p-n перехід володіє односторонньою провідністю. Цю властивість переходу використовують в напівпровідникових діодах.

Напівпровідникові діоди виготовляються найчастіше з кристалів кремнію, в яких завдяки відповідним домішкам створюються дотичні між собою області з електронною і дірчастою провідністю. Якщо, наприклад, на пластинку кремнію з електронною

провідністю наплавити краплю індію, поверхневий шар кремнію, в який проникнуть на деяку глибину атоми індію, стане дірчастим напівпровідником. Тоді між областями кремнію з електронною і дірчастою провідністю виникне р-n перехід.

Залежність сили струму через напівпровідниковий діод від напруги, прикладеної до нього, тобто його вольт-амперна характеристика показана на малюнку. Права гілка вольт-амперної характеристики відповідає пропускному напряму струму через діод (коли із зростанням напруги сила струму різко зростає), а ліва - замикаючому.

Здатність р-n перехід пропускати струм практично тільки в одному напрямі використовується для перетворення за допомогою діода змінного струму в постійний (точніше - пульсуючий) струм. Відношення значення прямого струму до значення зворотного при напрузі 1 В називається коефіцієнтом випрямляння. В хороших діодах коефіцієнт випрямляння досягає значення порядку 10⁶.

Область робочих напруг напівпровідникового діода обмежена з боку малих напруг через підвищення опору р-n переходу із зменшенням прямої напруги. Максимальне значення робочої напруги діода визначається напругою пробою р-n переходу при зворотній напрузі.

Транзистор. Транзистор є напівпровідниковим пристроєм з двома р-n переходами.

За допомогою відповідних домішок в кристалі германію або кремнію створюють три області: між областями 1 і 3 з провідністю р-тіпу створюють шар 2 з провідністю n-типа, званий базою. Одна з розділених базою областей, що містять область 1, називається емітером, а друга - колектором. Обидва р-n переходи сполучають з двома джерелами струму.

При цьому перехід «емітер - база» включають в пропускному, а перехід «колектор - база» в замикаючому напрямі. Поки ланцюг емітера розімкнений, в ланцюзі колектора струм дуже малий, оскільки опір р-n переходу для основних носіїв (електронів в базі і «дірок» в колекторі) в замикаючому напрямі великий.

Як тільки замикають ланцюг емітера, «дірки» - основні носії заряду емітера - переходять з нього в базу, створюючи струм в цьому ланцюзі. При цьому значна частина «дірок» проникає з бази в колектор, оскільки для «дірок» - неосновних носіїв заряду бази - такий перехід є пропускним, і вони створюють струм в ланцюзі колектора.

Сила струму в емітері і колекторі майже однакова. Це пояснюється тим, що велика частина (до 95%), потрапляючих з емітера в базу роблять у вигляді дуже тонкого шару, який «дірки», захоплювані полем р-n переходу, легко перетинають, майже не рекомбінуючи з електронами бази.

Тому при зміні сили струму в ланцюзі емітера, наприклад за допомогою джерела змінної напруги, одночасно майже в стільки ж разів змінюється сила струму в ланцюзі колектора. Цю особливість дії транзистора можна використовувати для управління струмом в ланцюзі колектора. Для цього в ланцюг колектора включають резистор з великим опором. Тоді невеликі зміни напруги в ланцюзі емітера можуть викликати значні зміни напруги на резисторі: при однаковій силі струму в емітері і колекторі напруги на них пропорційні опорам.

Підсилювальну дію транзистора можна також пояснити, спираючись на те, що його основна властивість полягає в зміні опору переходу база - колектор під дією струму в ланцюзі емітера. Це означає, що ділянка база - колектор є змінним опором, подібним реостату

Виключно малі розміри напівпровідникових приладів, іноді всього лише в декілька міліметрів, довговічність, зв'язана з тим, що їх властивості мало міняються з часом, можливість легко змінювати їх електропровідність, а також багато інших цінні властивості відкривають нові принадні перспективи вживання напівпровідників в недалекому майбутньому.