Электронно-дырочный переход и полупроводниковые диоды

Лекция 1

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

План

Общие сведения о полупроводниках.

Характеристики p–n- перехода.

Полупроводниковые диоды.

Полупроводниками называют вещества, удельная проводимость которых имеет промежуточное значение между удельными проводимостями металлов и диэлектриков. Граница между полупроводниками и диэлектриками условна, так как диэлектрики при высоких температурах могут вести себя как полупроводники, а чистые полупроводники при низких температурах – как диэлектрики. В полупроводниках носители заряда возникают лишь при повышении температуры или поглощении энергии от другого источника.

Процессы электропроводности в полупроводниках во многом отличаются от процессов электропроводности в металлах. Наиболее важное отличие состоит в том, что в полупроводниках электропроводность осуществляется двумя различными видами движения электронов. Кроме того, проводимость полупроводников можно менять в широких пределах, добавляя ничтожно малые количества примесей.

Типичными полупроводниками являются германий (Ge) и кремний (Si). Рассмотрим качественно процессы электропроводности в полупроводниках на примере кремния. В состав его атома входят 14 электронов, четыре из которых находятся на незаполненной внешней оболочке и являются слабо связанными. Эти электроны называются валентными. Атомы кремния способны объединять свои валентные электроны с другими атомами кремния с помощью ковалентных связей.

 Наряду с переходом электронов из связанного состояния в свободное возможен и обратный переход, при котором электрон проводимости возвращается на одно из свободных мест электрона связи. Этот процесс называют рекомбинацией электрона и дырки. В равновесном состоянии устанавливается такая концентрация электронов (и равная ей концентрация дырок), при которой число прямых и обратных переходов в единицу времени одинаково.

Рассмотренный процесс проводимости в чистых полупроводниках, обусловленный генерацией пар электрон – дырка называется собственной проводимостью. В отличие от металлов собственная проводимость полупроводников быстро возрастает с повышением температуры.

Для увеличения проводимости чистых полупроводниковых материалов применяют легирование – добавление небольших количеств посторонних элементов, называемых примесями. Используются два типа примесей. При меси первого типа – пятивалентные – состоят из атомов с пятью валентными электронами. Примеси второго типа – трехвалентные – состоят из атомов с тремя валентными электронами.

Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным материалом, таким как фосфор (Р), то некоторые атомы полупроводника замещаются атомами фосфора. Атом фосфора вводит четыре своих валентных электрона в ковалентные связи с соседними атомами. Его пятый электрон слабо связан с ядром и легко может стать свободным.

Атом фосфора называют донором, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится достаточное количество донорских атомов, а, следовательно, и свободных электронов для поддержания тока. Электроны в таком полупроводнике являются основными носителями, а дырки – неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, такой материал называется полупроводником n- типа. В качестве донорных примесей для германия и кремния используют фосфор, мышьяк, сурьму.

Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентными атомами, например, атомами индия (In), то эти атомы разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов. Это создаст в ковалентной связи дырку. Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, то атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки, называются акцепторами. При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р- типа. В качестве акцепторных примесей в германии и кремнии используют бор, алюминий, галлий, индий.

Полупроводниковые материалы n - и р -типов имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводники. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее легирован полупроводниковый материал, тем меньше его электрическое сопротивление.

В полупроводниках имеются два вида подвижных носителей заряда: положительно заряженные дырки и отрицательно заряженные свободные электроны.

Соотношением между концентрациями свободных электронов и дырок в полупроводнике можно управлять, добавляя соответствующие примеси. Материалы, в которых основными носителями заряда являются дырки, называются материалами р -типа; а материалы, в которых основными носителями являются электроны, называются материалами n -типа.