Полупроводниковые материалы. Собственная и примесная электропроводность. Электронно-дырочные p-n переход и его свойства

Полупроводником называется вещество, которое по своей удельной электрической проводимости располагается между проводником и диэлектриком (имеют узкую запрещенную зону), и отличается от проводника сильной зависимостью проводимости от внешних воздействий и концентрации примесей.

Если электрон атома в кристаллической решетке остается связанным с ядром, то он находится в зоне валентности, если оторван от ядра, то в зоне проводимости. Между этими зонами расположена запрещенная зона. Такой энергией электрон обладать не может.

Полупроводниковыми свойствами могут обладать как простые вещества, например, алмаз С, теллур Те, селен Se (красный), серое олово - Sn, так и химические органические и неорганические соединения: арсенид галлия GaAs, антимонид индия InSb, фосфид индия InP, карбид кремния SiC, бензол, нафталин, нафтацен и т.д. Типичными представителями полупроводников являются элементы четвертой группы периодической системы: германий Ge и кремний Si.

Атомы полупроводника в кристаллической решетке связаны между собой парноэлектронными (ковалентными) связями. Эти связи непрочные, легко разрываются при нагревании, освещении, электризации.

Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов.

Полупроводниковые материалы делятся на собственные (беспримесные) и примесные. При температуре 0˚К электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.

Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок , где n – число электронов, p - число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс - рекомбинацией носителей зарядов.

Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрический ток, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.

Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового I_др и диффузионного токов I_диф.

Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие I_др= I_{n др}+I _{p др}.

Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие I_диф= I_{n диф}+I _{p диф}

Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между I_др и I_диф нарушится и через переход будет протекать прямой ток.

Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n -переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.

При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь - число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.

При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь - число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n -перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.