Учебное пособие: Полупроводники. Диоды, биполярные и униполярные (МОП) транзи-сторы. Свет. Светочувствительные и светоизлучающие устройства. Оптопары

Si - кремний

Примесная проводимость проводников

Чистые полупроводники (кремний, германий) в электронике используются очень редко. В большинстве приборов используются примесные полупроводники, т. е. в которые добавлено небольшое и очень точно рассчитанное количество определенной примеси. Сам процесс добавления примеси называется легирование, а примесные полупроводники - легированными. В зависимости от рода примеси получаются полупроводники с противоположными свойствами; их еще называют полупроводниками n - типа и р- типа.

Если в полупроводник ввести пятивалентную примесь, то 4 валентных электрона восстанавливают ковалентные связи с атомами полупроводника, а пятый электрон остаётся свободным. За счёт этого концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок.

Рис. 2.4.

· примесь, за счёт которой ni>pi , называется донорной примесью.

· полупроводник, у которого ni > pi , называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n - типа.

· в полупроводнике n - типа электроны называются основными носителями заряда, а дырки - неосновными носителями заряда.

При введении трёхвалентной примеси три её валентных электрона восстанавливают ковалентную связь с атомами полупроводника, а четвёртая ковалентная связь оказывается не восстановленной, т. е. имеет место дырка. В результате этого концентрация дырок будет больше концентрации электронов.

Рис.2.5.

· примесь, при которой pi > ni , называется акцепторной примесью.

· полупроводник, у которого pi > ni , называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником р-типа.

· в полупроводнике р- типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны - неосновными носителями заряда.

В качестве наглядного примера этих процессов можно избрать очередь в кассу. После того как стоящий самым первым человек (электрон) расплачивается, он отходит и к кассе устремляется второй человек Сразу за ним образуется пустое место (дырка), в которую устремляется третий человек, и т. д. Таким образом, люди (электроны) движутся вперед, а пустые места (дырки) движутся назад. Единственное несовершенство очереди как наглядного примера - в ней дырки, дойдя до последнего человека, исчезают за его спиной, В полупроводнике ничто никуда не исчезает.

Если в исходный полупроводник добавить элемент 5-й группы, то в нем появится избыток электронов, которым "некуда деваться". Такой полупроводник относится к п- типу.

2. Диоды и диодные схемы. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

Давайте теперь попытаемся соединить эти два полупроводника. Так как уодного из них недостаток электронов, а удругого - избыток, то электроны и дырки устремляются к границе между этими двумя полупроводниками (рис. 2.6). Встретившиеся электрон и дырка рекомбинируют, т. е, соединяются друг с другом. Процесс рекомбинации продолжается до тех пор,пока не наступит динамическое равновесие, т. е. пока соотношение "количество электронов/количество дырок" не выровняется. В результате у p - n - перехода образуется обедненный свободными носителями двойной слой пространственного заряда. В р- области этот слой создается оставшимися после рекомбинации свободных носителей, связанными с кристаллической решеткой отрицательными ионами акцепторной примеси (т. е. элемента 3-й группы), а в п- области - положительными ионами донорной (в переводе – "дающей", элементы 5-й группы), и образующееся в результате рекомбинации электрическое поле (р- область заряжена отрицательно, п- область - положительно) противодействует дальнейшему перемещению электронов и дырок (р- область заряжается отрицательно, электрон - тоже имеет отрицательный заряд; одноименные заряды отталкиваются), т. е. наступает динамическое равновесие. Слой из рекомбинировавших электронов с дырками между двумя полупроводниками называется "p - n - переход", а разность потенциалов на р-п- переходе - потенциальным барьером. Для кремния он равен примерно 0,6 В, для германия меньше.

Рис. 2.6. р-п- переход

Во всех полупроводниках постоянно образуются и снова рекомбинируют тепловые электронно-дырочные пары, создавая некоторое количество не основных носителей тока (для р-области - электронов, для п-области - дырок). Находящиеся вблизи p - n -перехода не основные носители, прежде чем успеют рекомбинировать с основными для того типа полупроводника, в котором они "родились", могут попасть в электрическое поле потенциального барьера, "перескочить" на полупроводник противоположной проводимости (для него они будут "основными") и послужить тем самым причиной возникновения дрейфового тока (обратный ток). Так как "перескочивший" не основной носитель уменьшает потенциальный барьер, то для "компенсации" сразу же за ним основной носитель "идет с повинной" к p - n -переходу, где и рекомбинирует.

Полупроводниковый прибор с одним р-п- переходом и называется диодом. Отличительная особенность диода (благодаря наличию р-п- перехода) - он пропускает ток только в одном направлении - от n - области к р- области. Благодаря этому диоды нашли широкое применение в выпрямителях переменного напряжения.

Рис. 2.7

Классификация диодов производится по следующим признакам:

1. По конструкции: плоскостные диоды, точечные диоды, микросплавные диоды.

2. По мощности: маломощные, средней мощности, мощные.

3. По частоте: низкочастотные, высокочастотные, СВЧ.