Полупроводники и их применение

      Таким образом, в полупроводнике с 5-валентной  примесью имеется только один вид  носителей тока — электроны. Соответственно говорят, что такой полупроводник обладает электронной проводимостью или является полупроводником n-типа). Атомы примеси, поставляющие электроны проводимости, называются  д о н о р а м и.

      Примеси искажают поле решетки, что приводит к возникновению на энергетической схеме так называемых локальных уровней, расположенных в запрещенной зоне кристалла (рис. 5). Любой уровень валентной зоны или зоны проводимости может быть занят электроном, находящимся в любом месте кристалла.

      

Рис.5

      Энергию, соответствующую локальному уровню, электрон может иметь, лишь находясь вблизи атома примеси, вызвавшего появление этого уровня. Следовательно, электрон, занимающий примесный уровень, локализован вблизи атома примеси.

         Если донорные уровни расположены  недалеко от потолка валентной  зоны, они не могут существенно  повлиять на электрические свойства  кристалла. Иначе обстоит дело, когда расстояние таких уровней от дна зоны проводимости гораздо меньше, чем ширина запрещенной зоны, В этом случае энергия теплового движения даже при обычных температурах оказывается достаточной для того, чтобы перевести электрон с донорного уровня в зону проводимости. На рис. 4 этому процессу соответствует отщепление пятого валентного электрона от атома примеси. Захвату свободного электрона атомом примеси соответствует на рис. 5  переход электрона из зоны проводимости на один из донорных уровней.

      Уровень Ферми в полупроводнике n-типа лежит между донорными уровнями и дном зоны проводимости, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними (рис. 5).

      На  рис. 6 условно изображена решетка  кремния с примесью 3-валентных  атомов бора. Трех валентных электронов атома бора недостаточно для образования связей со

      

Рис.6

всеми четырьмя соседями. Поэтому одна из связей окажется неукомплектованной и будет представлять собой место, способное захватить электрон. При переходе на это место электрона одной из соседних пар возникнет дырка, которая будет кочевать по кристаллу. Вблизи атома примеси возникнет избыточный отрицательный заряд, но он будет связан с данным атомом и не может стать носителем тока. Таким образом, в полупроводнике с 3-валентной примесью возникают носители тока только одного вида — дырки. Проводимость в этом случае называется дырочной, а о полупроводнике говорят, что он принадлежит к p-типу. Примеси, вызывающие возникновение дырок, называются акцепторными.

      На  схеме уровней (рис. 7) акцептору соответствует расположенный в запретной зоне недалеко от ее дна локальный уровень. Образованию дырки отвечает переход электрона из валентной зоны на акцепторный уровень. Обратный переход соответствует разрыву одной из четырех ковалентных связей атома примеси с его соседями и рекомбинации образовавшегося при этом электрона и дырки.

      Уровень Ферми в полупроводнике р-типа лежит  между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями, при невысоких температурах — приблизительно посредине между ними.

      С повышением температуры концентрация примесных носителей тока быстро достигает насыщения. Это означает, что практически освобождаются все донорные или

      

Рис.7

заполняются электронами все акцепторные  уровни. Вместе с тем по мере роста температуры все в большей степени начинает сказываться собственная проводимость полупроводника, обусловленная переходом электронов непосредственно из валентной зоны в зону проводимости. Таким образом, при высоких температурах проводимость полупроводника будет складываться из примесной и собственной проводимости. При низких температурах преобладает примесная, а при высоких — собственная проводимость. 

2.4. Фотопроводимость полупроводников.

      Фотопроводимось проводников – увеличение электропроводности полупроводников под действием  электромагнитного излучения. Когда энергия фотонов равна или больше ширины запрещенной зоны (hv ≥∆E), могут совешать перебросы электронов из валентной зоны в зону проводимости (рис. 8), что приведет к появлению добавочных (неравновесных) электронов (в зоне проводимости) и дырок (в валентной зоне). В результате возникает собственная фотопроводимость. 

        
 

      Если  проводник содержит примеси, то фотопроводимость может возникать и при hv<∆E: для полупроводников с донорной примесью фотон должен обладать энергией hv ≥∆ED , а для полупроводников с акцепторной примесью - hv ≥∆EА. При поглощении света примесными центрами происходит переход электронов с донорных уровней в зону проводимости в случае полупрводника n-типа (рис. 8, б) или валентной зоны на акцепторные уровни в случае полупроводника р-типа (рис.8, в).

      

 

      К появлению фотопроводимости могут  способствовать экситоны. Они представляют собой квазачастицы – электрически нейтральные связанные состояния  электрона и дырки, образующиеся в случае возбуждения с энергией, меньше ширины запрещенной зоны. Уровни энергии экситонов располагаются у дна зоны проводимости. Так как экситоны электрически нейтральны, то их возникновение в полупроводнике не приводит к появлению дополнительных носителей тока, вследствии чего экситонное поглощение света не сопровождаются увеличением фотопроводимости. 

      2.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n – переход).

       Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно – дырочным переходом (или р-n – переходом). р-n – Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной формы проводимости создают либо при выращевании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов. Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n-переходе (рис.9). Пусть донорный полупроводник (работа выхода – А n, уровень Ферми – ЕFn) приводится в контакт (рис.9, б) с акцепторным полупроводником (работа выхода – А р, уровень Ферми – ЕFр). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводниках, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении – в направлении р→n. В n-полупроводнике из-за ухода вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных донорных атомов. В р-полупроводниках из-за дырок вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд неподвижных ионизированных акцепторов (рис. 9,а). Эти заряды у границы образуют двойной электрический слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, припятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n→р и дырок в направлении р→n.

       При определенной толщине р-n-перехода наступает равновестное состояние, характеризуемое выравниваем уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 9,в). В областе р-n-перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера е  определяются первоначальной разностью положений уровня Ферми в обоих полупропроводниках. 
 

      2.6. Полупроводниковый диод.

      Устройство  диода. Полупроводниковым диодом называется двух электродный прибор, основу которого составляет p-n-структура, состоящая из областей p-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом. Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда, чем другая область, называемая базой.

      База  эмиттер с помощью электродов, образующих омические переходы, соединяются с выводами, посредством которых диод включается в электрическую цепь.

      Основным  структурным элементом полупроводникого диода, определяющим его функциональные свойства, является p-n-переход – тонкий промежуточный слой между p- и n-областями. 

Статические вольтамперные характеристики диода. Статическая вольтамперная характеристика полупроводникового диода показана на рис. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода. Для наглядности обратная ветвь характеристики изображена в более крупном масштабе по току и в более мелком – по напряжению по сравнению с прямой ветвью. В области малых токов реальная и теоретическая характеристики совпадают. Но при больших прямых токах, а также при высоких обратных напряжениях характеристики расходятся, что является следствием ряда причин.

      В области больших прямых токов  вследствие значительного падения  напряжения на распределенном сопротивлении  базы диода и сопротивлении электродов напряжение на электронно-дырочном переходе будет меньше напряжения U, приложенного к диоду, в результате чего реальная характеристика оказывается расположенной ниже теоретической и почти линейной.

      Уравнение вольтамперной характеристики в этой области:

      

,

      где r_б – электрическое сопротивление базы, электродов и вывода в диоде. 

      При повышении обратного напряжения обратный ток диода не остается постоянным, а медленно увеличивается. Одной  из причин роста обратного тока диода является термическая генерация носителей зарядов в переходе. Составляющую обратного тока через переход, которая зависит от числа генерируемых в переходе в единицу времени носителей заряда, условимся называть термотоком перехода I_T. С повышением обратного напряжения вследствие расширения перехода увеличивается его объем, поэтому число генерируемых в переходе носителей заряда и термоток перехода возрастают.

      Другой  причиной роста обратного тока диода  является поверхностная проводимость электронно-дырочного перехода, обусловленные молекулярными и ионными пленками различного происхождения, покрывающими выходящую наружу поверхность перехода.

      Из-за нестабильности физико-химической структуры  этой поверхности, подверженной влиянию  окружающей среды, ток утечки по поверхности I_у нестабилен, что приводит к «ползучести» характеристик диода. В современных диода поверхность перехода специально обрабатывают и защищают от внешних воздействий, поэтому ток утечки всегда существенно меньше термотока.

      Таким образом, полный и обратный ток диода:

      

. 

3. Применение полупроводников. 

      По  принципу действия полупроводниковые  приборы делятся на следующие  основные виды: диоды, тиристоры, стабилитроны, транзисторы. Внутри, каждого из указанных  видов приборы подразделяются на типы: диоды — по значениям максимально допустимого среднего прямого тока, тиристоры - по значениям максимально допустимого прямого тока в открытом состоянии, стабилитроны — по значениям максимально допустимой мощности рассеяния.

      Приборы одного типа подразделяются на классы:

      • диоды — по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения,

      • тиристоры - по значениям повторяющегося импульсного обратного напряжения и повторяющегося импульсного напряжения в закрытом состоянии, тиристоры, проводящие в обратном направлении, и симметричные тиристоры — по значениям повторяющегося напряжения в закрытом состоянии,

      - стабилитроны — по значениям напряжения стабилизации.

      Кроме того, виды диодов и тиристоров подразделяются на подвиды в зависимости от коммутационных параметров. Для диодов:

а) диод - время  обратного восстановления не нормируется;

б) быстровосстанавливающийся  диод - время обратного восстановления равно или менее нормы.

      Для тиристоров:

а) тиристор — время включения и время  выключения не нормируется;

б) быстровыключающийся  тиристор — время выключения равно  или менее нормы;

в) быстровключающийся тиристор — время включения равно  или менее нормы;

г) быстродействующий  тиристор — время включения и  время выключения равно или менее  нормы.

      В зависимости от отличительных признаков диоды и тиристоры подразделяются следующим образом: