Электропроводимость химически чистого полупроводника, обусловленная упорядоченным движением электронов и дырок, называется собственной

Однако для изготовления полупроводниковых диодов необходимо иметь германий с ярко выраженной проводимостью одного типа. Это достигается введением в германий специальных примесей.

Наличие даже небольшой примеси в полупроводнике оказывает большое влияние на его проводимость, создавая так называемую примесную проводимость полупроводника. Некоторые примеси обогащают полупроводник свободными электронами, вызывая в нем преимущественно электронную проводимость. Такие примеси называются донорными, а полупроводники – электронными или полупроводниками n – типа. Другие примеси обогащают полупроводник дырками, создавая в нем преимущественно дырочную проводимость. Такие примеси называются акцепторными, аполупроводники – дырочными или полупроводниками

р - типа.

Введем в германий небольшое количество пятивалентного элемента, например, мышьяка. Каждый атом мышьяка войдет в связь четырьмя своими внешними электронами с четырьмя соседними атомами германия. Пятый внешний электрон мышьяка окажется “лишним”, не участвующим в установлении межатомных связей (рис 3 а). Под влиянием теплового движения или иных воздействий этот электрон легко может стать свободным. Практически каждый атом введенного мышьяка создает в полупроводнике по одному свободному электрону (0,0001% примеси мышьяка увеличивают число свободных электронов в германии примерно в 1000 раз!). Существенно, что при этом число дырок не увеличивается, так как освобождение “лишних” электронов не разрывает междуатомных связей. В результате германий обогащается свободными электронами; примесная электронная проводимость становится в нем основной. Германий превращается в примесный электронный полупроводник.

Введем теперь в германий небольшое количество трехвалентного элемента, например, индия. Каждый атом индия прочно соединится тремя своими внешними электронами с тремя соединениями атомами германия.

Так как у индия нет четвертого внешнего электрона, связь с четвертым атомом германия окажется непрочной и будет представлять собой место, способное захватывать электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникает дырка, которая будет “кочевать“ по кристаллу. Вблизи атома примеси возникает избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, германий обогатится дырками; примесная дырочная проводимость станет в нем основной. Германий превратится в примесный дырочный полупроводник.

Освобождающийся Дырка

электрон

а б

Рис. 3

При контакте полупроводника с n – проводимостью с полупроводником с р – проводимостью в зоне контакта образуется n – p – переход, имеющий большое практическое значение. Так как в полупроводнике с n – проводимостью велика концентрация свободных электронов, а в полупроводнике с р – проводимостью – дырок, то через поверхность соприкосновения полупроводников будет происходить диффузия свободных электронов из полупроводника n – типа в полупроводник р – типа () и диффузия дырок в противоположном направлении (). Вследствие этого в области n – p – перехода образуется двойной электрический слой (рис. 4).

Возникающее в этом слое электрическое поле напряженностью будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в направлении и дырок в направлении . В итоге при определенном значении напряженности установится равновесие: прекратятся преимущественные перемещения электронов и дырок в указанных направлениях.

n – типа р - типа

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

+ + - -

свободные электроны дырки

Рис. 4

Толщина слоя имеет порядок см, контактная разность потенциалов в слое – порядок В. Такую разность потенциалов (потенциальный барьер) могут преодолеть только электроны и дырки, обладающие большой кинетической энергией, соответствующей температурам в несколько тысяч кельвинов. При нормальной температуре слой является непроницаемым – имеющим очень большое сопротивление – для перехода электронов в направлении и дырок в направлении . Поэтому пограничный слой называется запирающим слоем.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Присоединим к электронному полупроводнику положительный, а к дырочному – отрицательный полюсы источника тока (рис 5а). Тогда напряженность внешнего поля Е, совпадающая по направлению с напряженностью , еще дальше отодвинет свободные электроны и дырки от места контакта полупроводников. Запирающий слой расширяется и его сопротивление возрастает. Ток через контакт не пройдет. Точнее говоря, пойдет очень слабый ток, обусловленный собственной проводимостью полупроводников, так как внешнее поле способствует переходу через запирающий слой неосновных носителей тока: свободных электронов из дырочного полупроводника в электронный и дырок из электронного полупроводника в дырочный. Но концентрации свободных электронов в дырочном полупроводнике и дырок в электронном полупроводнике весьма малы. Поэтому в данном случае ток будет пренебрежительно малым. Направление , практически не пропускающее тока, называется запирающим.

Е

n – типа р - типа

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ + + - - -

+ -

а

n – типа Е р - типа

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

+ -

- +

б

Рис. 5

Изменим полярность приложенного внешнего напряжения (рис. 5 б). Тогда напряженность внешнего поля Е, направленная противоположно напряженности , будет перемещать свободные электроны и дырки навстречу друг другу. Запирающий слой сузится и его сопротивление уменьшится. При определенном значении приложенного внешнего напряжения сопротивление запирающего слоя станет равным сопротивлению самих полупроводников (запирающий слой исчезнет). Через полупроводники пойдет сильный ток. Направление , пропускающее ток, называется пропускным.

Таким образом, запирающий слой обладает вентильной проводимостью, что позволяет использовать его для выпрямления переменного тока, подобно диоду в ламповом выпрямителе. Кривая зависимости силы тока через полупроводниковый диод от приложенного напряжения изображена на рис. 6. Ветвь кривой ОА соответствует пропускному току, ветвь ОВ – слабому обратному току собственной проводимости полупроводников.

А

О

В

Рис. 6

Полупроводниковые диоды бывают плоскостные и точечные. Условное обозначение диода приведено на рис. 7.

катод

анод

Рис. 7

Следует заметить, что полупроводник с - переходом может выдерживать обратные напряжения до определенного предела, после чего наступает пробой, аналогичный пробою диэлектрика.

Полупроводниковые диоды могут иметь весьма малые размеры (порядка 1 см и менее), не нуждаются в нагреве (накале), просты по устройству, механически прочны, имеют большой срок службы. Поэтому они успешно конкурируют с электронными лампами.

Date: 2015-07-24; view: 388; Нарушение авторских прав