Електричний струм у напівпровідниках

 

1. Порівняння властивостей провідників і напівпровідників.
2. Чисті (бездомішкові) напівпровідники.
3. Домішкові напівпровідники.
4. Електронодірковий перехід.
5. Напівпровідниковий діод.
6. Напівпровідниковий тріод (транзистор).
7. Тримістори і фоторизистори.

 

Порівняння властивостей провідників і напівпровідників.

Опір провідників дуже малий, опір діелектриків дуже великий, а опір напівпровідників “середній”. При збільшенні температури опір провідників збільшується, а опір напівпровідників і діелектриків зменшується. При зменшені температури опір провідників зменшується, а діелектриків і напівпровідників збільшується. При Т=0⁰К опір провідників дорівнює нулю. А напівпровідники діелектриками.

 

3. Чисті (бездомішкові) напівпровідники.

 

 

Розглянемо на прикладі кремнію. На зовнішньому рівні атома кремнію є чотири валентні електрони, які приймають участь в ковалентному зв’язку. При низькій температурі всі електрони напівпровідника зв’язані з атомами і опір напівпровідника нескінченно великий і якщо температуру напівпровідника збільшувати, то деякі електрони можуть одержувати надлишкову енергію і можуть відриватися. При відриванні електрони в оболонці напівпровідника залишається вільне місце, яке називають діркою. Оскільки до відривання електрона атом був нейтральним то після відривання електрон стає позитивно зарядженим і її приписують дірці.

Сусідні атоми напівпровідників безперервно обмінюються електронами і тому дірку в атомі може заповнити електрон іншого атома, в якого в свою чергу виникає дірка. Отже, вільними носіями зарядів у чистому напівпровіднику є негативні електрони і позитивні дірки.

При русі електронів і дірок вони можуть зустрітися і зникнути. Зникнення пари електрон-дірка називається рекомбінацією. В чистому напівпровіднику завжди є порівну електронів і дірок. Провідність чистого напівпровідника називається власною провідністю.

 

 

3. Домішкові напівпровідники.

 

 

N–типу

 

 

Якщо до розплавленого кремнію додати домішку миш’яку то при твердінні в решітці кремнію замість деяких атомів кремнію будуть атоми миш’яку. В атомів миш’яку на зовнішньому рівні 5 валентних електронів. 4 валетні електрони атомів миш’яку при цьому утворюють 4 валентних зв’язки з кремнієм, а 5 електрон буде так погано зв’язаний з атомами миш’яку, що для його відривання потрібно дуже мало енергії, тому при звичайній t⁰ всі атоми миш’яку будуть іонізовані. Інші електрони будуть зв’язані з решіткою і не можуть переміщатися по напівпровіднику. Тому вільними носіями зарядів в такому напівпровіднику є електрони.

Провідність такого напівпровідника називається n-типу (негативного типу). А домішку, що створює таку провідність називають донорною домішкою. Скільки атомів миш’яку внесли в провідник і стільки з’являється вільних електронів у цьому напівпровіднику.

 

 

Р–типу

 

 

Якщо в розплавлений кремній додати атоми індію в яких є по 3 валентні електро-ни, то цих електронів виста-чить для встановлення кова-лентного зв’язку з трьома сусід-німи атомами кремнію, а в четвертого атома він запозичує 1 елек-трон в одного з атомів Si і перетворюється в негативний іон, а в одного із атомів кремнію вини-кає дірка, яка хаотично рухається по напівпровіднику. Негативні іони індію зв’язані з решіткою і вони не можуть переміщатися по напівпровіднику. Отже вільними носіями зарядів у такому на-півпровіднику будуть тільки позитивні дірки. Провідність такого напівпровідника називається провідністю р-типу (позитивного), а домішку, що створює таку провідність атомів індію називають акцепторною домішкою.

 

Електронодірковий перехід.

р n

 

 

 

Уявимо собі кристал кремнію в якому одна половина має р-область, а друга n-область. Межу в кристалі напівпровідника між p і n областями називають електро-дірковим переходом або p-n преходом.

Припустимо, що дві частини напівпровідника, тобто p і n область проведено в стикання тоді почнеться перехід електродів з n області де їх багато в p область де їх мало (цей процес подібний до дифузії) і переміщення дірок в зворотньому напрямі в результаті n область заряджається позитивно, а p область негативно і між областями виникає поле. І встановлюється різниця потенціалів 1В. Через деякий час настане рівновага електронів і дірок тобто скільки електронів прийде з n області в p область, стільки ж і повернуться. В перехідному шарі майже не має рухомих носіїв зарядів, вони не можуть вдержатись в ньому і пролітають крізь нього. В перехідному шарі майже не має рухомих носіїв зарядів, вони не можуть вдержатись в ньому і пролітають крізь нього. В цьому шарі залишаються лише позитивні іони миш’яку в області ОВ і негативні іони індію в області АО в яких зосереджено заряди p і n областей. Збіднений на носіїв зарядів шар АОВ має дуже великий опір і його називають запірним шаром.

 

 

Якщо до p-n переходу приєднати джерело так, щоб позитивний полюс батареї був з’єднаний з n-областю, а негативний полюс батареї з р-областю електрони з n-області в початковий момент будуть прямувати до полюса, а дірки з р-області в початковий момент будуть прямувати до мінуса, а тому через p-n перехід не пройде практично жодної зарядженої частинки. Внаслідок цього товщина запірного шару збільшується і через перехід буде проходити малий струм.

Прикладена напруга і струм у цьому випадку називають зворотними.

Поміняєм полюси батареї. До р-області під’єднаєм позитивний полюс батареї, а до n-області негативний полюс батареї.

 

Під дією зовнішнього поля дірки з р-області переміщаються у напрямку до n-області. А електрони з n-області переміщаються в напрямку до р-області, але цьому рухові буде заважати внутрішнє поле запірного шару, якщо напругу джерела збільшувати, то настане момент при якому зовнішнє поле буде сильніше за внутрішнє поле. В цей момент запірний шар зникає і через перехід проходить дуже великий струм. Прикладену напругу і струм у цьому випадку називають прямим. Основна властивість діода пропускати струм тільки в одному напрямку, а тому його використовують для перетворення змінного струму в постійний.

Позначення на схемі.