Ток в полупроводниках

Известно, что сопротивление проводника рассчитывают по формуле: , где и - длина и площадь поперечного сечения проводника, а - удельное эл. сопротивление материала проводника. С точки зрения величины при нормальных условиях все вещества делят на три класса:

К полупроводниковым материалам относятся многие хим. элементы IIVI групп таблицы Менделеева (Si, Ge, As, Sb, S, Se, Ga, Inи др.), а также многие окислы и соединения металлов, например: GaAs, InSb, CdTe, AlSb, GaP.

Сходство проводимости полупроводников и металлов состоит в том, что и у тех и у других она обусловлена перемещением электронов, т.е. не ионная.

Отличияпроводимости полупроводников от проводимости металлов:

1) у полупроводников , а у металлов ;

2) в полупроводниках электрический ток - это направленное движение не только свободных, но и связанных (с атомами) электронов;

3) проводимость и сопротивление полупроводников очень сильно зависят от концентрации примесей в них.

Собственная проводимость: характерна только для химически чистых полупроводников (чистота 99,99999999%, т.е. на 10¹⁰ атомов Geвсего 1 атом примеси, такие материалы можно получать только в космическом вакууме). Вследствие тепловых колебаний атомов кристаллической решётки случаются разрывы ковалентных связей и валентные электроны, образовывавшие эти связи, становятся свободными. Разорванную ковалентную связь называют "дыркой". Поскольку валентные электроны коллективизированы атомами решётки, то место электрона, ставшего свободным, может занять электрон из другой ковалентной связи и "дырка" получается не стабильной, а мигрирующей. Таким образом, в результате разрушения одной ковалентной связи образуются два свободных носителя заряда: электрон и "дырка". Поэтому говорят, что химически чистые полупроводники обладают электронно-дырочной проводимостью, причём число свободных электронов равно числу "дырок". Проводимость, обусловленную перемещением электронов, называют проводимостью n-типа (negative - отрицательный). Проводимость, обусловленную перемещением "дырок", называют проводимостью p-типа (от слова positive - положительный).

Примесная проводимость. В природе нет идеально чистых веществ, а искусственная их очистка сложна и практически невозможна. Более того, в электронике часто специально вводят в полупроводник инородные атомы (примеси) с целью сообщения ему преимущественной проводимости либо n-либо р-типа. Примеси, обогащающие полупроводник свободными электронами, называют донорными, а полупроводник, обогащённый донорной примесью, - полупроводником n-типа. Примеси, обогащающие полупроводник "дырками", называют акцепторными, а полупроводник, обогащённый акцепторной примесью, - полупроводником р-типа. Например, для Ge (элемента 4-й группы) донорными примесями являются элементы 5¸6 групп (As, P, Sb и др.), а акцепторными - элементы 2¸3 групп (In, Gaи др.).

В полупроводниках p-типа основными носителями заряда (о.н.з.)являются "дырки", неосновными носителями заряда (н.н.з.) - электроны. В полупроводниках n-типа, наоборот: о.н.з. – электроны, н.н.з. - "дырки".

Незадействованные в химических связях валентные электроны атомов донорной примеси легко (в результате тепловых колебаний атомов) становятся свободными: всего 0,0001% примеси Asувеличивает число свободных электронов вGeв 1000 раз, при этом число "дырок" остаётся прежним (как до введения примеси). Именно вследствие сильной зависимости числа свободных носителей заряда от температуры сопротивление полупроводников (содержащих примесь) уменьшается с ростом T (несмотря на увеличение при этом вероятности столкновений свободных электронов с атомами полупроводника).

Замечание: Высокую зависимость сопротивления полупроводников от T используют для создания полупроводниковых термометров - термистеров, приёмная часть которых имеет размер всего ~0,1 мм. Преимущества термистеров: 1) точность измерений DT равна »10^-6 K; 2) малая инерционность, что позволяет выполнять измерения за малое время; 3) возможность измерять T очень малых объектов, в связи с малой собственной теплоёмкостью термистеров.

p - n переход. Полупроводниковый диод

При тесном контакте двух полупроводниковых образцов с разной проводимостью, вследствие диффузии носителей заряда, приграничный слой р-полупроводника насыщается Θ зарядами, а приграничный слой n-полупроводника - Å за рядами. Таким образом, в контакте (p-nпереходе) образуется двойной заряженный слой, толщиной ~0,1 мкм с контактной разностью потенциалов ~0,1 В. Возникающее внутри этого слоя электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда из одного образца в другой. Пограничный двойной электрический слой называют запирающим. Важным свойством запирающего слоя является возможность регулировать его толщину (а значит и электрическое сопротивление) с
помощью внешнего поля .

Возможно двоякое подключение p-nперехода (называемого также полупроводниковым диодом) к источнику тока: прямое и обратное.

При обратном включении p–nперехода запирающий слой утолщается и сила тока через диод мала, поскольку этот ток обусловлен движением через переход только неосновных носителей заряда (для них является ускоряющим).

При прямом включении диода запирающий слой сужается и его сопротивление уменьшается. При определённом напряжении U, запирающий слой вообще исчезает и сила тока (обусловленного встречными потоками основных носителей заряда) через контакт лавинообразно нарастает.

График зависимости силы тока I, протекающего через п/п диод, от приложенного к нему напряжения U называют вольт-амперной характеристикой диода.

Внутренним сопротивлением п/п диода называют величину: , причём .

Основное свойство диода - односторонняя проводимость.

Назначение п/п диодов: 1) преобразование переменного тока в постоянный (пульсирующий) ток; 2) реализация компьютерной логики, основанной на двоичной системе счёта.