Примесная электропроводность

1. Электронная проводимость.

Внесение примесей в кристалл (легирование) может привести к увеличению его электропроводности, возникает примесная проводимость. Например, при добавлении в четырехвалентный германий пятивалентного мышьяка (или сурьмы, фосфора) в месте нахождения атома примеси появляется лишний свободный электрон. Один атом примеси приходится на 10⁵-10⁶ атомов решетки полупроводника. Примеси, приводящие к по­явлению свободных электронов, называются донорными. Проводимость такого легированного полупроводника обусловлена почти исключительно электронами и называется электронной проводимостью, а полупровод­ник – п-типа.

2. Дырочная проводимость.

Проводимость полупроводника можно увеличить, легируя его элементами с меньшей валентностью. Если в германий добавить трехвалентный индий (или бор, галлий), то в месте нахождения атома примеси возникает лишняя дырка.

Такие примеси, уменьшающие число свободных электронов, называются акцепторными, а проводник такого типа называется дырочным полупроводником или полупроводником р-типа. Проводимость в полупроводнике р-типа осуществляется почти исключительно дырками.

3. р-п переход.

В одном и том же полупроводниковом образце один участок может обладать р -проводимостью, а другой п -проводимостью. На границе этих двух участков будет происходить взаимная диффузия носи­телей тока через границу, что приведет к возникновению тонкого слоя толщиной l, в котором почти отсутствуют свободные носители заряда, запирающий электрический слой. Внешнее напряжение изменяет толщину этого слоя.

Если положительный полюс источника напряжения соединить с р -областью, а отрицательный - с п -областью, то большое число электронов и дырок будут двигаться навстречу друг другу. В пограничном слое они рекомбинируют. Возникает большой прямой электрический ток, толщина запирающего слоя и его сопротивление непрерывно уменьшаются.

При обратной полярности электроны и дырки будут перемещаться в противоположные стороны от границы, что приведет к увеличению толщины запирающего слоя. Ток через границу практически не идет, р-п переход работает как выпрямитель, пропуская ток только в прямом направлении. Полупроводниковое устройство с одним р-п переходом называется полупроводниковым диодом.

Вольтамперная характеристика полупроводникового дио­да:

Положительным значениям напряжения на этом графике отвечает случай, когда положи­тельный полюс источника тока подсоединен к полупроводни­ку р -типа, а отрицательный к п -типа. Отрицательным значениям напряже­ния отвечает обратная полярность. Вольтамперная характеристика дает лишь качественное представление о процессах в полупроводниковом диоде. В действительности разность значений силы прямого и обратного токов значительно больше.

Особенно широко начали применять полупроводники в технике после создания в 1948 году полупроводниковых усилителей электрических колебаний — транзисторов.

Транзистор является кристал­лом германия, в котором внесением примесей созданы три области с чередованием типов проводимости: дырочная— электронная—дырочная (возможно и иное чередование: электронная -— дырочная — электронная), между которыми находятся два р-п -перехода.

Эти три области называют соответственно эмиттером, базой (или основой) и коллектором транзистора. Включим между коллектором и базой источник напряжения Е₁ в запирающем направлении р-п- перехода, а между эмит­тером и базой — источник напряжения Е₂ в пропускном на­правлении. Замыкая вначале выключатель К₁, увидим, что в цепи коллектора через р-п- переход идет очень слабый ток. Если теперь замкнуть выключатель К₂, то миллиамперметр покажет значительное увеличение силы тока в цепи коллектора, возрастающего с увеличением напря­жения источника Е₂ и уменьшающегося при ее уменьшении.

Основную долю электрического тока в эмиттере создает перемещение дырок в направлении к базе транзистора, вследствие чего происхо­дит проникновение дырок в базу, то есть в область с элект­ронной проводимостью. Базу делают обычно очень узкой (от нескольких миллиметров до десятков микрон), поэтому дырки не успевают рекомбинировать с электронами и достигают второго р-п -перехода. Здесь на дырки начинает действо­вать электрическое поле, создаваемое источником напряже­ния Е₁, и дырки, проникая в коллектор, создают в его цепи дополнительный ток. Таким образом, любое изменение силы тока в цепи эмиттера вызывает большие изменения си­лы тока в цепи коллектора. Изменения сил токов в цепях свя­заны с изменениями напряжений законом Ома, поэтому мож­но сказать, что изменяя напряжение в цепи эмиттера, можно получить большие изменения напряжения в цепи коллектора, то есть получить усиление напряжения. Можно показать, что транзистор дает возможность усиливать и мощности.

Транзисторы имеют ряд существенных преимуществ над электронными лампами. Они не имеют накаливаемого катода и, следовательно, потребляют меньшую мощность, не нужда­ются в вакууме, а поэтому их надежность и срок службы больше, чем электронных ламп, они имеют значительно мень­шие размеры. Транзисторы успешно применяют вместо элек­тронных ламп во многих радиотехнических схемах и в электронно-вычислительных машинах.