IV. Электрический ток в полупроводниках

Типичными полупроводниками являются кремний, германий, селен, теллур и некоторые другие элементы. Полупроводники имеют удельное сопротивление порядка 10^-2 - 10⁶ Ом×м. Полупроводники обладают рядом свойств, отличных от свойств металлов: их сопротивление уменьшается при повышении температуры; сопротивление полупроводников зависит от освещенности и интенсивности радиационного облучения.

Ток в полупроводниках обусловлен переносом электронов и дырок (избыточных положительных зарядов). В чистом полупроводнике концентрации электронов и дырок одинаковы. Небольшое количество примеси сильно изменяет проводимость полупроводника. Добавление пятивалентного элемента, например, мышьяка к четырехвалентному германию создает преимущественно электронную проводимость. Такой полупроводник называется электронным полупроводником или полупроводником n -типа. Добавление трехвалентного элемента, например, индия превращает германий в полупроводник с дырочной проводимостью (полупроводник p- типа). Особый интерес для практического использования представляют явления, происходящие при контакте двух полупроводников с проводимостью разного рода.

Рассмотрим контакт двух полупроводников с электронной и дырочной проводимостью (p- и n - проводимостью). На границе соприкосновения этих полупроводников возникает слой, который называется электронно-дырочным переходом (p-n -переход). Такой переход нельзя создать простым соприкосновением двух полупроводниковых пластин p- и n - типа, так как вследствие шероховатостей и неровностей соприкасающихся поверхностей плотность контакта будет неодинаковой в различных точках. Обычно p- n -переходы получают в одном и том же кристалле полупроводника, создавая в нем разными способами области с различной проводимостью. Это можно сделать, например, производя местную термическую обработку кристалла германия. Другим способом получения p- n -перехода является внесение необходимых примесей в расплавленный полупроводник при выращивании монокристалла.

Рассмотрим явления, происходящие при контакте p- и n - полупроводников (см.рис.4.1). Основными носителями заряда в полупроводнике типа n являются электроны. Их концентрация значительно превышает при комнатной температуре концентрацию неосновных носителей - дырок. В полупроводнике p- типа, наоборот, основными носителями являются дырки, а не основными - электроны. При контакте этих полупроводников начинается диффузия основных носителей. Электроны из n -области будут перемещаться в p- область, и их концентрация в приконтактном слое в n - полупроводнике будет уменьшаться. Вследствие этого здесь будет возникать нескомпенсированный положительный заряд ионов. Аналогично, при переходе дырок из p- области в n -область в приконтактном слое p- полупроводника возникает избыточный отрицательный заряд. Таким образом, на границе p- и n - полупроводников получается контактный слой, в котором создается электрическое поле, напряженность которого Е_{р - n} направлена от n -области к p- области. Толщина контактного слоя обычно имеет порядок 10^-6 - 10^-7 м.

Однако даже при комнатной температуре некоторые основные носители заряда в обеих областях обладают энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Эти носители диффундируют через границу полупроводников, образуя ток основных носителей I_о, направленный навстречу току неосновных носителей. Таким образом, устанавливается при контакте полупроводников динамическое равновесие, при котором I_о = I_н. Этот ток очень мал.

Если к p- n -переходу присоединить источник тока так, чтобы напряженность создаваемого им внешнего электрического поля Е_вн имела направление, противоположное направлению Е_{р - n} (рис.4.3.а), то высота потенциального барьера на границе полупроводников будет уменьшаться. При этом толщина контактного слоя делается меньше, его сопротивление уменьшается и ток основных носителей через p- n -переход возрастает. Такое направление тока называется прямым или пропускным.

Если же источник тока присоединить к контакту так, чтобы его поле совпадало по направлению с собственным полем p- n -перехода (рис.4.3.б), то потенциальный барьер возрастает. Толщина контактного слоя увеличивается, его сопротивление возрастает, сила тока основных носителей уменьшается почти до нуля. При этом через p- n -переход будет идти только малый ток неосновных носителей. Такое направление тока называется обратным или запирающим.

Зависимость тока, текущего через p- n -переход от приложенного к нему напряжения (вольт-амперная характеристика) изображена на рис.4.4. Положительные значения силы тока соответствуют прямому направлению, отрицательные - обратному. Как видно из графика, сила прямого тока зависит от напряжения - при увеличении напряжения прямой ток возрастает. Обратный ток от приложенного напряжения практически не зависит. Он определяется количеством неосновных носителей, образующихся в полупроводнике в единицу времени, а это количество при постоянной температуре остается неизменным.

Если приложенное запирающее напряжение превышает некоторое значение U_{обр макс} , то сила обратного тока резко возрастает, т.е. происходит пробой электронно-дырочного перехода. Причина этого заключается в следующем: под действием сильного электрического поля электроны приобретают значительную скорость и, сталкиваясь с нейтральными атомами в области p- n -перехода ионизируют их. Таким образом, число неосновных носителей заряда в полупроводниках резко увеличивается и обратный ток резко возрастает.

Следовательно, электронно-дырочный переход обладает односторонней проводимостью. Это свойство позволяет использовать контакт полупроводников с p- и n -проводимостью для выпрямления переменного тока. Приборы, действия которых основаны на этом свойстве, получили название полупроводниковых диодов.

Одной из характеристик диода является коэффициент выпрямления, равный отношению токов: прямого к обратному, измеренных при одинаковых по прямому и обратному напряжениях:

k =I_пр /I_обр при |U _пр| =|U_обр| (1)

При работе с полупроводниковыми диодами следует учитывать величину наибольшего обратного напряжения, т.е. такого напряжения, которое может быть приложено к диоду в запирающем напряжении без опасности пробоя диода. Наибольшее обратное напряжение невелико: пробой может произойти уже при напряжении несколько вольт, поэтому нельзя проводить опыт при больших обратных напряжениях.