Акцепторная (дырочная) проводимость

 

Примеси трехвалентных элементов, позволяющие получить полупроводник с дырочной проводимостью, называются акцепторными.

Введем в чистый полупроводник трехвалентную (акцепторную) примесь.

При этом 3 валентных электрона атома примеси взаимодействуют с 3-мя валентными электронами атома чистого полупроводника, образуя три прочные ковалентные связи. Четвертая ковалентная связь оказывается неполной – для нее не хватает электрона примеси, а значит, на этом месте образуется дырка.

Эта дырка может быть заполнена валентным электроном из соседней ковалентной связи, но тогда возникнет дырка в другом месте. Таким образом, проводимость в данном случае будет дырочной, а полупроводник –акцепторный или полупроводник p-типа (буква «p» - первая буква слова positive – положительный).

Валентный электрон, заполнивший дырку, ионизирует атом примеси – возникает отрицательный ион.

Как и в предыдущем случае, при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы.

Кроме процесса ионизации, при комнатной температуре всегда имеет место процесс генерации, в котором участвуют атомы чистого полупроводника (часть валентных электронов этих атомов переходят из ВЗ в ЗП и становятся свободными, а на месте ушедших электронов образуются дырки).

Аналогично предыдущему примеру, процесс ионизации преобладает над процессом генерации.

 

Для электронной и дырочной проводимости справедливо:

Концентрация ОНЗ

Концентрация ННЗ

Концентрация ионов примеси

 

Если концентрация примеси в полупроводнике очень большая (высокая степень легирования) и достигает значения , такой полупроводник называется вырожденным.

 

По своим свойствам вырожденные полупроводники приближаются к проводникам, у которых концентрация электронов достигает значений

Обозначение вырожденных полупроводников:

полупроводник типа или полупроводник типа

 

Токи в полупроводниках

В полупроводнике электрический ток может быть вызван двумя причинами:

· Электрическим полем.

· Разностью концентраций носителей заряда.

Дрейфовый ток

Рассмотрим первую причину.

Направленное движение носителей заряда (НЗ) под действием электрического поля называется дрейфовым током.

Если к полупроводнику подключить источник постоянного напряжения, то под действием внешнего электрического поля электроны и дырки начнут перемещаться в противоположных направлениях (электроны будут двигаться к плюсовой клемме источника питания, т.е. в сторону, противоположную направлению поля, а дырки – к минусовой, т.е. по направлению поля) – возникнет дрейфовый ток.

полупроводник

Ө

I_ДР Е

U_ПИТ

Е – напряженность электрического поля

 

За направление тока принято считать направление движения дырок.

Диффузионный ток

Диффузионный ток – это направленное движение НЗ, возникающее из-за разности их концентраций.

Если какую-то часть полупроводника нагреть, то в этой области возникнет повышенная концентрация зарядов (за счет термогенерации, т.е. генерации, вызванной тепловой энергией).

Но чем выше концентрация НЗ, тем больше вероятность столновения электронов друг с другом, в результате чего электроны будут как бы «выталкиваться» из области с повышенной концентрацией НЗ в область, где эта концентрация ниже.

Таким образом, НЗ стремятся к выравниванию концентраций.

Это явление получило название «диффузия» - проникновение.

Контактные явления

P-n переход

P-n переход – это контакт двух полупроводников с разной проводимостью.

Контакт нельзя создать простым соприкосновением двух полупроводников, т.к. при этом неизбежен слой воздуха, окислов, грязи. Для получения p-n перехода используется особая технология.

p n

 

d – толщина перехода

d (0,1÷1) мкМ (1мкМ=10^-6 М)

 

3.1.1 Симметричный p-n переход в равновесном состоянии

 

Переход называется симметричным, если выполняется условие:

концентрации ОНЗ двух полупроводников равны (концентрация дырок в полупроводнике p-типа равна концентрации электронов в полупроводнике n-типа).

Если указанное условие не выполняется, переход называется несимметричным.

Переход находится в равновесном состоянии, если отсутствует внешний источник питания (отсутствует внешнее поле).

Рассмотрим симметричный p-n переход в равновесном состоянии. В полупроводнике p-типа содержится большое количество дырок, а в полупроводнике n-типа их мало. В полупроводнике n-типа содержится большое количество электронов, а в полупроводнике p-типа их мало. Имеем разностьконцентраций, следовательно, возникает диффузия (проникновение) – носители заряда стараются выровнять концентрацию, в результате чего дырки из p-области перемещаются в n-область, в обратном направлении перемещаются электроны. Возникает направленное движение ОНЗ, т.е. возникает диффузионный ток: .

 

Нолик означает, что переход находится в равновесном состоянии.

Т.к. за направление тока принято считать направление движения дырок, то диффузионный ток будет протекать из p-области в n-область.

 

p

n

ОНЗ

IДИФО

Ө ОНЗ

 

 

Переход дырок и электронов в соседние области приводит к обеднению приконтактного слоя основными носителями заряда, а, следовательно, его сопротивление увеличивается . Таким образом, приконтактный слой обладает повышенным сопротивлением по отношению к другим областям. Такой слой называется запирающим.

В первоначальный момент (до диффузии) p- и n-области являлись электрически нейтральными. (Большое количество дырок в p-области нейтрализовалось примерно таким же количеством отрицательных ионов примеси. Аналогично, большое количество электронов в n-области нейтрализовалось таким же количеством положительных ионов примеси.)

В результате диффузии электрическая нейтральность перехода нарушается: в p-области окажутся избыточными отрицательные ионы примеси, а в n-области – положительные ионы примеси, вследствие чего p-область заряжается отрицательно, а n-область – положительно. Возникает разность потенциалов , называемая потенциальным барьером: , где - потенциал n-области;

- потенциал p-области.

Наличие разности потенциалов приводит к возникновению внутреннего электрического поля , направленного из n-области в p-область (от плюса к минусу).

p n

 

Е_ВН

Внутреннее поле является тормозящим для ОНЗ и ускоряющим дляННЗ, поэтому под действием этого поля ННЗ перебрасываются в соседние области. Возикает направленное движение ННЗ, т.е. возникает дрейфовый ток: .

p n

ННЗ Ө

 

ННЗ

Е_ВН

I_ДРО

Т.к. диффузионный и дрейфовый токи текут в противоположных направлениях, то суммарный ток через переход будет равен 0.

 

или