Электрический ток в полупроводниках (п/п)

Полупроводники – это вещества, которые занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками по способности проводить электрический ток. Полупроводники бывают чистые(состоящие из частиц одного вещества: например, Si, Ge,Se) и примесные (например, PbS,CS,GaAs), в состав которых входят хим.элементы с разной валентностью.

Рассмотрим строение чистого полупроводника, например кремния (Si). Кремний – четырехвалентный элемент. Это означает, что во внешней оболочке его атома имеется четыре свободных электрона, способных образовать электронную пару, сравнительно слабо связанных с ядром. Число ближайших соседей каждого атома кремния тоже равно четырем. Схема структуры кремния изображена на рис.1.

Взаимодействие пары соседних атомов кремния осуществляется с помощью ковалентной связи. В образовании этой связи от каждого атома участвует по одному валентному электрону. Эти ковалентные связи достаточно прочны и при низких температурах не разрываются. То есть при низких температурах свободных носителей заряда в полупроводниках нет и ток они не проводят. Но если нагревать/осветить полупроводник, то кинетическая энергия электронов будет увеличиваться. В итоге некоторые ковалентные связи в кристалле рвутся, и появляются свободные электроны. Но при этом на месте «убежавшего» электрона останется область с нескомпенсированным положительным зарядом. Этот участок поля называется дыркой. Некоторые электроны после разрыва связи могут попасть на место другого вылетевшего электрона, т.о. происходит восстановление иона до атома – процесс рекомбинации заряженных частиц. Итак, дырки тоже могут передвигаться по кристаллу, а значит они тоже являются свободными носителями заряда.

При отсутствии воздействия электрического поля они совершают беспорядочное движение. При наличии электрического поля возникает упорядоченное движение свободных носителей заряда: электроны движутся к положительному полюсу источнику, а дырки – к отрицательному,т.е. в полупроводнике образуется электрический ток. Таким образом, в полупроводнике при нагревании/освещении возникает два типа свободных носителей заряда: электроны и дырки. Такой тип проводимости называется проводимостью p-n типа или собственной проводимостью. Она характерна для чистых проводников.

Если внедрить вместо атома кремния атом вещества с меньшей валентностью, то образуется лишняя дырка. То есть, если смешать кремний с веществом, валентность которого меньше, то дырок станет больше чем электронов. Такие вещества называют акцепторными примесями.

Поскольку полупроводники, имеющие акцепторные примеси, обладают большим числом дырок, то дырки в них будут являться основными носителями заряда, а электроны неосновными. Такой полупроводник будет называться полупроводником p-типа.

Аналогично, при внесении веществ с большей валентностью, увеличится число электронов. Такие примеси называются донорными. В полупроводниках с донорными примесями основные свободные заряженные частицы это электроны, а неосновные – дырки, и такие полупроводники называются полупроводниками n-типа.

Практический интерес представляют контакты полупроводников n- и p-типов. На рисунке изображена схема полупроводника, левая часть которого является проводником n-типа, а правая – полупроводник p-типа. Между ними находится зона перехода – зона, объединенная зарядами. Контакт двух полупроводников называют p-n- или n-p-переходом.

При образовании контакта происходит процесс диффузии: электроны частично переходят из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа, а дырки – в обратном направлении. В результате полупроводник n-типа заряжается положительно, а р-типа – отрицательно. Диффузия прекращается после появления запирающего слоя, то есть границы раздела п/п разного типа. В результате диффузии электронов и дырок, с одной стороны скапливаются одни, с другой – другие заряды, эти заряды друг друга уравновешивают, поэтому дальнейшее перемещение электронов и дырок через запирающий слой не происходит.

Включим полупроводники с p-n-переходом в электрическую цепь. Подключим сначала батарею так, чтобы потенциал полупроводник р-типа был положительным, а n-типа – отрицательным. При этом ток через p-n-переход создается основными носителями: из области n в область p – электронами, а из области p в область n – дырками. Вследствие этого проводимость всего образца велика, а сопротивление мало. Такой переход называют прямым.

Если изменить полярность подключения батареи, то электроны через контакт идут теперь из области p в область n, а дырки – из области n в область р. Но в полупроводнике р-типа мало свободных электронов, а в полупроводнике n-типа мало дырок. Переход через контакт осуществляется неосновными носителями, число которых мало. Из-за этого проводимость образца становится незначительной, а сопротивление – большим. Образуется запирающий слой. Такой переход называется обратным.

Вольтамперная характеристика прямого и обратного перехода полупроводника представлена на рисунке. Как видно из этого рисунка: сила тока при обратном переходе очень мала, поэтому ей часто можно пренебречь. К особым свойствам п/п можно отнести то, что они обладают односторонней проводимостью.

Устройство, состоящее из двух полупроводников разного типа, включенных в цепь, называется полупроводником диодом. В нём используется р-n переход. Полупроводниковые диоды изготавливают из кремния, селена, германия и других веществ.

В быту так же широко используются полупроводниковые приборы, работающие на основе p-n-p- и n-p-n-переходов. Такие приборы называются полупроводниковыми транзисторами. Их используют для усиления электрических сигналов.

Рассмотрим один из видов транзисторов из германия или кремния с введенными в них донорными и акцепторными примесями. Распределение примесей таково, что создается очень тонкая прослойка полупроводника n-типа между двумя слоями полупроводника р-типа. Эту тонкую прослойку называют базой.

В кристалле образуются два р-n—перехода, прямые направления которых противоположны. Три вывода от областей с различными типами проводимости позволяют включать транзистор в схему, представленную на рисунке. В данной схеме левый р-n-переход является прямым и отделяет базу от области с проводимостью р-типа, называемую эмиттером. Батарея Б2 включена так, что правый р-n-переход в схеме является обратным. Он отделяет базу от правой области с проводимостью р-типа, называемой коллектором.

При создании напряжения между эмиттером и базой основные носители полупроводника р-типа проникают в базу, где они являются уже неосновными носителями. Поскольку толщина базы очень мала и число основных носителей (электронов) в ней не велико, попавшие в нее дырки почти не объединяются с электронами базы и проникают в коллектор за счет диффузии. Правый р-n-переход закрыт для основных носителей заряда базы – электронов, но не для дырок. В коллекторе дырки увлекаются электрическим полем и замыкают цепь. Сила тока, ответвляющегося в цепь эмиттера из базы, очень мала, так как площадь сечения базы в горизонтальной плоскости много меньше сечения в вертикальной плоскости. Сила тока в коллекторе, почти равная силе тока в эмиттере, изменяется вместе с током через эмиттер. Сопротивление резистора R мало влияет на ток в коллекторе, и это сопротивления можно сделать достаточно большим. Управляя током эмиттера с помощью источника переменного напряжения, включенного в его цепь, мы получим синхронное изменение напряжения на резисторе R.

При большом сопротивлении резистора изменение напряжения на нем может в десятки тысяч раз превышать изменение напряжения сигнала в цепи эмиттера. Это означает усиление напряжения. Поэтому на нагрузке R можно получить электрические сигналы, мощность которых во много раз превосходит мощность, поступающую в цепи эмиттера.

Современная электроника базируется на микросхемах и микропроцессорах, включающих в себя колоссальное число транзисторов. Интегральная микросхема, чип – это устройство, созданное на основе диодов и транзисторов, изготовленное в едином технологическом процессе. Так же транзисторы получили чрезвычайно широкое распространение в современной технике. Они заменяют электронные лампы в электрических цепях научной, промышленной и бытовой аппаратуры. Преимуществами транзисторов по сравнению с электронными лампами является прежде всего отсутствие накаленного катода, потребляющего значительную мощность и требующего времени для его разогрева. Кроме того, эти приборы в десятки и сотни раз меньше по размерам и массе, чем электронные лампы. Работают они при более низких напряжениях.

Полупроводниковые термисторы – это приборы, с помощью которых измеряют температуру (от 1К до 1800К). Принцип работы основан на использовании зависимости сопротивления п/п от температуры.

Фоторезисторы – это п/п прибор, принцип действия которого основан на зависимости сопротивления п/п от освещения его светом.