Электропроводностью полупроводников можно управлять температурой (в терморезисторах), светом (в фоторезисторах), давлением (в тензорезисторах), электрическим полем (в варисторах)

Собственная и примесная электропроводность полупроводников

Лекция 13 ЭЛЕКТРОПРОВОДНОСТЬ ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Полупроводники – материалы, занимающие по проводимости промежуточное положение между проводниками и диэлектриками (германий, кремний, селен, теллур, мышьяк, огромное количество сплавов и химических соединений).

Собственная электропроводность – это электропроводность полупроводников при отсутствии примесей. Электроны становятся свободными при поглощении некоторого количества энергии (тепла, света и др.). Атом кристаллической решетки, потерявший электрон, приобретает положительный заряд и называется «дыркой». В отсутствие электрического поля свободные электроны и дырки участвуют в хаотическом тепловом движении. Если полупроводник поместить в электрическое поле, то электроны и дырки приобретают упорядоченное движение.

n-проводимость – электронная проводимость.

р-проводимость – дырочная - создается поочередным замещением электронами друг друга: отрицательно заряженный электрон притягивается к дырке, имеющей положительный заряд, и дырка превращается в нейтральный атом, а то место в кристаллической решетке, откуда отделился электрон, превращается в новую дырку и т.д.

Примесная электропроводность – электропроводность полупроводников с примесями. Примесная электропроводность требует меньше энергии, чем собственная и обнаруживается при более низких температурах.

Донорные примеси – это примеси, которые увеличивают n-проводимость и у которых валентных электронов больше, чем у атомов данного полупроводника.

Акцепторные примеси – это примеси, которые увеличивают р-проводимость и у которых валентных электронов меньше, чем у атомов данного полупроводника.

Полупроводники n-типа – полупроводники с донорными примесями.

Полупроводники р-типа – полупроводники с акцепторными примесями.

● У атома кремния (Si – IV группа в таблице Менделеева) - 4 валентных электрона; у атома мышьяка (As – V группа в таблице Менделеева)5 валентных электронов. Четыре электрона атома мышьяка (As) образуют связи с четырьмя соседними атомами кремния (Si), а пятый электрон связи не образует. Он слабо связан и легко становится свободным (рис. 13.1, а).

● У атома индия (In – III группа в таблице Менделеева) 3 валентных электрона. Три электрона атома In (рис. 13.1, б) образуют связи с 3 соседними атомами Si, а одной химической связи не хватает. Чтобы ее заполнить необходима малая энергия (электрон как бы притягивается к примеси (к атому индия). При этом образуется четвертая связь, In превращается в отрицательный неподвижный ион, а а в том месте, откуда отделился электрон, образуется дырка. Эстафетное перескакивание электронов из дырки в дырку создает движение дырок.

13.2 p-n -Перехо́д

p-n -Перехо́д или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p-типа и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому (рис. 13.2). p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов.

Диффузионный ток – это перенос зарядов (электронов и дырок), из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При этом граница p-n -перехо́да заряжается. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Граница раздела будет окружена двумя областями заряда противоположного знака.

Дрейфовый ток – ток, противоположный по направлению диффузионному току, вызванный электрическим полем, возникающим вследствие образования заряда на границе p-n -перехо́да. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и перетекание зарядов прекращается.

Если к p-n -перехо́ду приложить прямое напряжение, ток основных носителей увеличится, а если к p-n -Перехо́ду приложить обратное напряжение, то ток основных носителей от этого уменьшится.

Полупроводниковый диод - полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом. и двумя выводами (электродами). Прямой ток в диодах создается электронами, а обратный дырками. Обратный ток настолько мал, что его условно можно считать равным нулю, поэтому диоды применяются, например, для выпрямления переменного тока.

Транзи́стор - полупроводниковый триод (с тремя выводами), в котором осуществлен p-n-p-переход Транзистор используется в аналоговой и цифровой технике для усиления и преобразования электрических сигналов так как небольшое изменение входного напряжения или тока приводит к существенно большему изменению выходного напряжения и тока. Вся современная цифровая техника построена, в основном, на металл-оксид-полупроводник-транзисторах (МОПТ). Транзисторы изготавливаются на одном кремниевом кристалле (чипе) и составляют элементарный «кирпичик» для построения микросхем логики, памяти, процессора и т. п. Размеры современных МОПТ составляют от 90 до 22 нм. В настоящее время на одном современном кристалле площадью 1-2 см² могут разместиться несколько миллиардов МОПТ.