Образование запирающего слоя

ЗАДАНИЕ НА: 23-28.03

Дисциплина Электротехника с основами электроники

Тема              Полупроводниковые диоды

 

УЧЕБНЫЙ МАТЕРИАЛ

Общие сведения о полупроводниках.

Вещества, имеющие свободные носители зарядов (электроны или ионы) могут проводить электрический ток и называются проводниками. Вещества, не имеющие свободных носителей зарядов, не могут проводить электрический ток и называются диэлектриками. Полупроводниками называют вещества, занимающие промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Эти вещества, в зависимости от внешних условий, могут иметь, или не иметь свободные носители зарядов. Типичными полупроводниками являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si).

В отличие от проводников полупроводники имеют не только элек­тронную, но и «дырочную» проводимости, которые в сильной степени зависят от температуры, освещенности, сжатия, электрического поля и других факторов. Химическую связь двух соседних атомов с образованием на одной орбите общей пары электронов называют ковалентной или парноэлектронной и условно изображают двумя линиями, соединяю­щими электроны.

 

 

 

 

ковалентная связь атомов                 ее схематичное изображение

 

Например, германий принадлежит к эле­ментам четвертой группы периодической системы элементов Менделеева и имеет на внешней орбите четыре валентных электрона. Каждый атом в кристалле германия образует ковалентные связи с четырьмя сосед­ними атомами.

 

 

 

При отсутствии примесей и температуре, близкой к абсолютному кулю, все валентные электроны атомов в кристалле германия взаимно связаны и свободных электронов нет, так что германий не обладает проводимостью. При повышении температуры или при облучении уве­личивается энергия электронов, что приводит к частичному нарушению ковалентных связей и появлению свободных электронов. Под действием внешнего электрического поля свободные электроны перемещаются, и в кристалле возникает электрический ток. Электропроводность, обусловленная перемещением свободныхэлектронов, называется электронной проводимостью полупроводника, или п -проводимостью. При появлении свободных электронов в ковалентных свя­зях образуется свободное незаполненное электроном (вакантное) место - «электронная дырка». Так как дырка возникла в месте отрыва электрона от атома, то в области ее образования возникает избыточный положительный заряд. При наличии дырки какой-либо из электронов соседних связей может занять место дырки, и нормальная ковалентная связь в этом месте восстановится, но будет нарушена в том месте, откуда ушел электрон. Новую дырку может занять еще какой-нибудь элек­трон и т. д.

Под действием внешнего электрического поля дырки перемещаются в направлении сил поля, т. е. противоположно перемещению электронов. Проводимость, возникающая в результате перемещения дырок, на­зывается дырочной проводимостью, или р- прово­димостью.

Таким образом, при электронной проводимости один свободный электрон проходит весь путь в кристалле, а при дырочной проводимо­сти большое число электронов поочередно замещают друг друга в ко­валентных связях и каждый из них проходит свой отрезок пути.

Свойства полупроводника в сильной степени меняются при наличии в нем ничтожного количества примесей. Вводя в кристалл полупроводника атомы других элементов, можно получить в кристалле преобладание свободных электронов над дырками или, наоборот, преобладание дырок над свободными электронами. Например, при замещении в кри­сталлической решетке атома германия атомом пятивалентного веще­ства (мышьяка, сурьмы, фосфора) четыре электрона этого вещества образуют заполненные связи с соседними атомами германия, а пятый электрон окажется свободным, поэтому такая примесь увеличивает электронную проводимость (n -проводимость) и называется донорной. При замещении атома германия атомом трехвалент­ного вещества (индий, галлий, алюминий) его электроны вступят в ковалентную связь с тремя соседними атомами германия, а связи с чет­вертым атомом германия будут отсут-ствовать, так как у индия нет чет­вертого электрона. Восстановление всех ковалентных связей возможно, если недостаю­щий четвертый электрон будет получен от ближайшего атома германия. Но в этом случае на месте электрона, покинувшего атом германия, по­явится дырка, которая может быть заполнена электроном из сосед­него атома германия. Последовательное заполнение свободной связи эквивалентно движению дырок. Примеси с меньшим числом валентных электронов в атоме вызывают преобладание дырочной проводимости и называются акцепторными.

 

 

Образование запирающего слоя.

Полупроводниковый диод (вентиль) представляет собой контакт­ное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью (п -типа), а другой — с дырочной (р -типа ).

Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике п будет происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго полупровод­ника р-типа в первый n-типа. В тонком пограничном слое полупроводни­ка п -типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полу­проводника р -типа—отрицательный заряд. Между этими слоями возникает разность потенциалов (потенциальный барьер) и образуется электриче­ское поле напряженностью Е_п, которая препятствует диффузии элек­тронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный носителями зарядов (электронов и дырок) и обладающий большим со­противлением. Этот слой называется запирающим р-п- переходом.

 

п

р

 

 

Соединив положительный зажим источника питания с металличес­ким электродом полупроводника р -типа, а отрицательный зажим с электродом полупроводника п -типа, получим замкнутую электрическую цепь, каждый участок которой обладает проводимость. И в цепи образуется электрический ток.

                                         I

 

п

р

+

 

 

При изменении полярности источника питания первоначальное движение свободных электронов в полупроводнике п -типа к «плюсу» приведет к тому, что в приграничном слое исчезнут свободные носители зарядов, и в то же время приграничный слой оказывается заряженным «+» вследствие ухода электронов. В полупроводнике р -типа «дырки» начинают движение к «минусу», что приводит к исчезновению свободных носителей заряда в приграничном слое и создает на границе заряд «-», который блокирует попадание электронов в полупроводник п -типа. Аналогично «дырки» не могут попасть в полупроводник р -типа. На границе двух областей (с электронной и дырочной проводи­мостью) появляется запирающий р-п -переход.

 

                                           I

р

п

 

 

Таким образом, полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью, т. е. является электрическим вентилем.

Следует помнить, что с повышением температуры количество свободных носителей заряда резко увеличивается и полупроводниковый диод теряет свойство односторонней проводимости.