Электронно- дырочный переход

ПОЛУПРОВОДНИКИ

В соответствии с электронной теорией все окружающие нас вещества состоят из атомов, а те в свою очередь, из более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют ядро положительного заряда, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Например, атом водорода имеет всего один электрон. 

Электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, называются валентными. Под действием соседних атомов или других причин электроны могут покинуть свою орбиту и стать свободными. При наличии электрического поля свободные электроны образуют электрический ток. Чем больше свободных электронов в веществе, тем выше его электропроводность.

Согласно квантовой теории энергия электронов может принимать лишь вполне определённые дискретные значения. Переход из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией может произойти при условии поглощения извне порции энергии. При обратном переходе эта энергия должна быть отдана. Каждой орбите электрона соответствует определённая энергия – разрешённый энергетический уровень. Уровни энергии, которые не могут иметь электроны, называются запрещёнными.

На рисунке показаны энергетические диаграммы проводника, диэлектрика и полупроводника. 1– валентная зона; 2– запрещённая зона; 3– зона проводимости.

У проводников зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга – электроны легко становятся свободными и проводят электрический ток. У диэлектриков ширина запрещённой зоны велика (более 3эВ). Для полупроводников запрещённая зона составляет 0,5-3эВ, поэтому под действием тепла, света, электрического поля электроны из валентной зоны могут перейти в зону проводимости и стать свободными.

Полупроводники – большая группа веществ, которые по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Важнейшее свойство полупроводников: зависимость их электропроводности от внешних условий (температуры, освещённости, внешних полей и др.)

Наиболее распространены кремний, германий, селен, арсенид галлия, карбид кремния, сульфат кадмия и др.

Кремний и германий 4-валентны, поэтому заряд ядра обозначен на рисунке «+4». Между атомами кристаллической решётки существуют связи. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома. Эта связь называется парноэлектронной (ковалентной).

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней остаётся свободное место, обладающее положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Такое освободившееся место назвали дыркой, а процесс образования пары электрон – дырка называется генерацией носителей заряда. Дырка может присоединить к себе электрон соседней связи (плюс к минусу), в результате восстанавливается одна связь (этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда) и разрушается соседняя. Так дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу и образовывать дырочный ток.

Принцип дырочной проводимости показан на рисунке. В начальный момент времени в атоме 1 появилась дырка. Электрон атома 2 заполнил дырку в атоме 1, но образовал дыркув атоме 2. Последовательно переходя от одного атома к другому, дырка через некоторое время перейдёт в атом 6.

Различают 2 вида проводимости полупроводников: электронную или проводимость типа n (от negative – отрицательный) и дырочную или проводимость типа p (от positive – положительный).

В химически чистом кристалле число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нём образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

Примесные полупроводники

В зависимости от того, атомы какого вещества будут введены в кристалл, можно получить полупроводник с электронной или дырочной проводимостью.

Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной. Примесь, вызывающая в полупроводнике увеличение свободных электронов, называется донорной, а увеличение дырок – акцепторной.

Предположим, что в кристалл 4-валентного германия (рисунок слева), введён атом вещества, имеющий на внешней орбите пять электронов (например, мышьяк). Атом примеси четырьмя валентными электронами вступает в ковалентные связи с 4 соседними атомами германия. Пятый валентный электрон становится избыточным (свободным). Атом примеси при этом становится положительным ионом (т.к. заряд ядра больше заряда окружающих атом электронов). Так получают полупроводники с электронной проводимостью (n -типа).  

Введение трёхвалентного атома (например, галлия) в германий приводит к избытку дырок над электронами (рисунок справа). Ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшаяся дырка замещается электроном из соседней связи. Электрически нейтральный атом примеси превращается в отрицательный ион. Также появляется свободная дырка. Создаётся полупроводник с дырочной проводимостью (p -типа).

Электроны в полупроводнике n- типа и дырки в полупроводнике p-типа называются основными носителями заряда. Носители противоположного знака – неосновными.

 

Пробой p - n перехода

При дальнейшем увеличении обратного напряжения возникает пробой p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается

Различают 2 вида пробоев:

¾ электрический (лавинный) является обратимым. Под действием сильного электрического поля электроны высвобождаются из ковалентных связей, получая энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера запертого перехода. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результат появляются новые свободные электроны и дырки, которые разгоняются полем. Процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через переход.

¾ тепловой (необратимый). Тепловая генерация пар электрон-дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. При чрезмерном разогреве перехода, когда происходит изменение структуры кристалла, переход необратимо выходит из строя. 

 

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Полупроводниковый диод – прибор с двумя выводами и одним p-n переходом.

Наибольшее применение получили кремниевые и германиевые диоды, а также диоды на основе арсенида галлия.

В зависимости от способа получения p-n переходов различают точечные (рисунок а) и плоскостные (рисунок б) диоды.

 

Выпрямительный диод

Выпрямительный диод – это диод, предназначенный для преобразования переменного тока в постоянный.

Работа выпрямительного диода основана на свойстве p-n перехода пропускать ток только в одном направлении. Основная характеристика – ВАХ.

Условное графическое обозначение (УГО) диода согласно ГОСТ имеет определённые размеры:    

 

Мощные выпрямительные диоды используют в цепях с большими токами и напряжениями и выполняют плоскостными.

Точечные диоды являются менее мощными и используются в схемах аппаратуры, работающей на высоких частотах.

Анод – вывод от p-области, катод – вывод от n-области.

При разработке выпрямительных схем может возникнуть необходимость получить выпрямленный ток, превышающий предельно допустимое значение для одного диода. В этом случае применяют параллельное включение однотипных диодов (рисунок а). В высоковольтных цепях часто используют последовательное соединение диодов (рисунок б). При этом напряжение распределяется между всеми диодами поровну (если диоды одинаковы и величины шунтирующих сопротивлений R_Ш равны).

 

Стабилитрон

Стабилитрон – кремниевый диод, предназначенный для поддержания с определённой точностью постоянного напряжения в цепи обратного тока при изменении тока в определённых пределах.

Нормальный режим работы стабилитрона – работа при обратном напряжении, соответствующем электрическому пробою p-n перехода.

 

Основные параметры стабилитрона: максимальное и минимальное значение тока стабилизации I_СТ и напряжения стабилизации U_СТ.

УГО стабилитрона:

 

 

Стабилитроны используют для стабилизации напряжения в цепях постоянного тока.

Варикап

Варикап (от англ. vari(able) – переменный и cap(acitance) – ёмкость) – полупроводниковый диод, у которого используется барьерная ёмкость запертого p-n перехода, зависящая от величины приложенного к диоду напряжения.

Основной характеристикой варикапа является вольтфарадная – зависимость величины ёмкости перехода от величины обратного напряжения.

Основное применение варикапа – электронная настройка частоты колебательного контура в различных радиоэлектронных устройствах.

УГО варикапа:

 

Туннельный диод

Туннельный диод – полупроводниковый диод, в котором используется туннельный механизм переноса носителей заряда через переход и в характеристике которого есть область отрицательного дифференциального сопротивления.

Туннельный эффект заключается в том, что электроны проходят через потенциальный барьер p-n перехода, не изменяя своей энергии. Для этого используются материалы (германий, арсенид галлия) с очень большой концентрацией примесей (до 10²¹ примесных атомов в 1 см³), в то время как обычная концентрация примесей < 10¹⁵ см³. Такие полупроводники называются вырожденными, т.к. по свойствам они близки к металлам.

Особенностью ВАХ туннельного диода является то, что при подаче напряжения, превышающего U_п, прямой туннельный ток начинает резко убывать. В интервале U_п – U_в между точками А и В переход имеет отрицательное дифференциальное сопротивление:

R _диф =

Основные параметры туннельного диода:

I_п и I_в – токи пика и впадины;

U_п, U_в, U_рр – напряжение пика, впадины, раствора.

Отрицательное дифференциальное сопротивление играет роль клапана, регулирующего поступление электрической энергии от источника питания в нагрузку.

УГО туннельного диода:

 

Фотодиод

Фотодиод – полупроводниковый диод, в работе которого используется внутренний фотоэффект.

Фотодиод можно включать в схемы как с внешним источником питания – фотодиодный режим, так и без него, т.к. под действием светового потока в фотодиоде возникает фотоэ.д.с. – вентильный режим.

ВАХ фотодиода: при полном затемнении (Ф=0) через фотодиод протекает темновой ток. С ростом светового потока обратный ток увеличивается.

Фотодиоды используются в фотометрии, для контроля источников света, измерения интенсивности освещения, прозрачности среды, автоматического регулирования и контроля температуры и т.п. Широко используются в оптоэлектронных схемах.

УГО фотодиода:

 

Светодиод

Светодиод – излучающий полупроводниковый диод, предназначенный для преобразования электрической энергии в энергию некогерентного светового излучения.

При прямом смещении p-n перехода происходит интенсивная инжекция основных носителей: электронов из n- в p-область и дырок из p- в n-область. Инжектированные носители рекомбинируют с основными носителями и при этом выделяется энергия. У большинства полупроводников в виде тепла, а у некоторых выполненных на основе карбида кремния, галлия, мышьяка, энергия рекомбинации выделяется в виде квантов света – фотонов. Излучение может лежать в инфракрасной, видимой или ультрафиолетовой части спектра.

 

Важнейшие характеристики светодиода (на примере светодиода АЛ301):

¾ спектральная – зависимость относительной мощности излучения  от длины излучаемой волны λ;

¾ характеристика направленности – зависимость величины интенсивности излучения от направления излучения.

светодиоды применяют в качестве индикаторов, в оптоэлектронных                   схемах.

 

УГО светодиода:

 

 

ТРАНЗИСТОРЫ

Транзистор – преобразовательный полупроводниковый прибор, имеющий не менее трёх выводов, пригодный для усиления мощности.

Биполярный транзистор (БТ)

БТ – это наиболее распространённый транзистор, имеющий два p-n перехода. В нём используются носители заряда обоих полярностей, отсюда и название биполярный. Основным элементом БТ является кристалл кремний (германия), в котором созданы три области различных проводимостей. Различают n-p-n и p-n-p транзисторы. УГО БТ изображены на рисунке. Предпочтительным является изображение без круга.

 

Эмиттер (Э) – внешний слой БТ, предназначенный для инжекции (внедрения) носителей заряда в базу.

База (Б) – внутренняя область кристалла.

Коллектор (К) – внешний слой, предназначенный для экстракции (вытягивания) носителей заряда из базы.

Рассмотрим изготовление БТ методом диффузии: кристалл полупроводника n-типа (рисунок а) нагревают в парах акцепторной примеси, в результате происходит диффузия примеси в поверхностные слои (рисунок б). Затем так же производят диффузию донорной примеси (рисунок в). После удаления лишних слоев образуется транзисторная структура n-p-n типа (рисунок г).

 

Принцип действия БТ

В БТ имеются два p-n перехода: эмиттерный ЭП (между эмиттером и базой) и коллекторный КП (между коллектором и базой). База – очень тонкий слой (несколько микрометров). Концентрация примеси в базе во много раз меньше, чем в эмиттере. Это важнейшее условие работы БТ.

При подключении БТ к источникам питания Е_Э и Е_К переходы смещаются: ЭП прямо, а КП обратно. Потенциальные барьеры меняются: у ЭП снижается, у КП – увеличивается. Если бы концентрация дырок в эмиттере была равна концентрации электронов в базе, то эмиттерный ток I_Э создавался бы перемещением одинакового количества основных носителей из Э в Б и обратно. Но концентрация носителей в Э значительно превышает концентрацию носителей в Б, поэтому почти весь эмиттерный ток обусловлен дырками, инжектированными эмиттером в базу. Коэффициент инжекции γ = 0,999.

Инжектированные дырки проникают вглубь базы и начинают там рекомбинировать с электронами. Но электронов в Б мало и слой Б очень тонкий, поэтому почти все дырки успевают достичь КП прежде, чем произойдёт рекомбинация. Дырки для Б – неосновные носители, а поле КП – обратное, поэтому дырки втягиваются полем КП в коллектор и создают ток коллектора I_К. Ток коллектора незначительно меньше тока эмиттера. Те дырки, которые успели рекомбинировать с электронами в базе, участвуют в создании тока базы I_Б. Получаем уравнение:

I_Э = I_К + I_Б

Одним из основных параметров БТ является дифференциальный коэффициент прямой передачи тока – отношение приращения выходного тока к вызвавшему его приращению входного тока:

α =

Обычно α = 0,95…0,99

Поскольку в цепи коллектора кроме тока, обусловленного экстракцией дырок из базы в коллектор, протекает собственно обратный ток коллекторного перехода I_КБО , то полный ток коллектора равен

I_К= α I_Э + I_КБО

 

Учитывая, что ток I_КБО по величине незначителен, можно принять

I_К= α I_Э

БТ представляет собой управляемый прибор, т.к. выходной ток определяется величиной входного тока.

Режимы работы БТ

В зависимости от полярности напряжений,приложенных к ЭП и КП, различают четыре режима его работы.

Активный режим: ЭП смещён прямо, КП – обратно.

Вследствие того, что напряжение U_КБ значительно превышает U_ЭБ, а токи в цепях эмиттера и коллектора почти равны, мощность полезного сигнала на выходе схемы становится гораздо больше, чем на входе. Т.е. БТ усиливает входной сигнал.

Это – основной режим работы БТ.

Режим насыщения: ЭП смещён прямо, КП – прямо.

Ток в выходной цепи максимален и практически не регулируется током эмиттера. Направление тока коллектора определяется величиной U_ЭБ и U_КБ.

В этом режиме транзистор полностью открыт и насыщен.

 

 

Режим отсечки: ЭП смещён обратно, КП – обратно.

Через переходы протекает незначительный ток, обусловленный движением неосновных носителей заряда.

Транзистор заперт.

 

 

Инверсный режим:  ЭП смещён обратно, КП – прямо.

Эмиттер и коллектор меняются ролями: коллектор внедряет носители заряда в базу, а эмиттер вытягивает их оттуда.

Режим не соответствует нормальным условиям эксплуатации.

 

Схемы включения БТ

В зависимости от того, какой из электродов транзистора является общим для входной и выходной цепи, различают 3 схемы включения: с общей базой – ОБ, с общим эмиттером – ОЭ и с общим коллектором – ОК.

Схема ОБ

Для схемы ОБ входным током является ток эмиттера, а выходным – ток коллектора.

I_ВХ = I_Э

I_ВЫХ = I_К

Дифференциальный коэффициент прямой передачи тока для этой схемы

α =

Как рассматривалось ранее, α имеет величину меньше 1.

Входной ток в данной схеме I_Э – наибольший из всех токов БТ, поэтому схема ОБ имеет малое входное сопротивление, равное сопротивлению прямо смещённого эмиттерного перехода. Это низкое сопротивление резко снижает усиление по напряжению и мощности предыдущего каскада в многокаскадных усилителях.

Достоинство:

¾ хорошее усиление по напряжению.

Недостатки:

¾ нет усиления по току;

¾ малое входное сопротивление.

 

Схема ОЭ

Для схемы ОЭ входным током является ток базы, а выходным – ток коллектора.

I_ВХ = I_Б

I_ВЫХ = I_К

Дифференциальный коэффициент прямой передачи тока для этой схемы

β =

 

Коэффициенты α  и β связаны между собой: β =

 

Если α =0,98, то  β будет равно 49.

Входное сопротивление в схеме ОЭ значительно больше, чем в ОБ.

Достоинства:

¾ хорошие усиления по току и напряжению;

¾ большое входное сопротивление;

¾ возможность питания схемы от одного источника, т.к. на Б и К подаются питающие напряжения одного знака.

Недостаток:

¾ низкая температурная стабильность.

Схема ОЭ наиболее распространена.

 

Схема ОК

Для схемы ОК входным током является ток базы, а выходным – ток эмиттера.

I_ВХ = I_Б

I_ВЫХ = I_Э

Дифференциальный коэффициент прямой передачи тока для этой схемы

+1

Схема ОК не позволяет получить усиления по напряжению и поэтому применяется редко, обычно для согласования сопротивлений между каскадами многокаскадного усилителя.

Достоинство:

¾ хорошее усиление по току;

¾ большое входное сопротивление.

Недостаток:

¾ нет усиления по напряжению.

 

Ориентировочные показатели схем включения транзисторов:

Транзистор в режиме ключа

В современных схемах автоматики и вычислительной техники используются переключающие устройства. БТ является одним из наиболее распространенных элементов переключающих устройств. Режим работы транзистора в переключающем устройстве называют ключевым. Этот режим характерен тем, что БТ в процессе работы периодически переходит из открытого состояния (режима насыщения) в запертое (режим отсечки) и наоборот, что соответствует двум устойчивым состояниям переключающего устройства. На рисунке изображена простейшая схема ключа на p-n-p транзисторе, включенном по схеме ОЭ. Запирание транзистора происходит, когда оба p-n перехода закрыты. Для этого достаточно, чтобы обратные напряжения на этих переходах были близки к нулю (около 0,05…0,1В). В запертом состоянии транзистор может находиться неограниченно долго. Вывести его из этого состояния можно подачей на вход запускающего импульса отрицательной полярности. При этом транзистор перейдёт во второе устойчивое состояние – режим насыщения (оба p-n перехода открыты).

На рисунке а приведены выходные статические характеристики БТ. В семействе характеристик проведена нагрузочная прямая АВ, выражающая зависимость тока коллектора от коллекторного напряжения при определённых значениях Е_К и R_Н. При некотором значении I_Бнас = I_Б4 коллекторный ток достигает максимальной величины – тока насыщения I_{К нас} (точка А).

Этому току соответствует величина насыщающего тока базы I_{Б нас} (рисунок б). Характеристика I_К=f(I_Б) имеет изломы на границах режима отсечки (I), активного режима (II) и режима насыщения (III).

 

Полевой транзистор (ПТ)

ПТ – трёхэлектродный полупроводниковый прибор, усилительные свойства которого обусловлены потоком основных носителей заряда через токопроводящий канал, управляемый электрическим полем.

Характерные особенности ПТ:

¾ в образовании тока участвуют носители заряда только одного знака;

¾ высокое входное сопротивление;

¾ высокие коэффициенты усиления по напряжению и мощности.

Все ПТ можно разделить на 2 группы:

¾ ПТ с p-n переходами (канальные или униполярные);

¾ ПТ с изолированным затвором (МДП- или МОП-транзисторы).

 

ПТ с p - n переходами

Рассмотрим конструкцию канального ПТ. Тонкий слой полупроводника n-типа, ограниченный с двух сторон p-n переходами, называется каналом. Включение канала в электрическую цепь обеспечивается с помощью двух электродов, один из которых называется истоком И, а другой – стоком С. Вывод, подсоединённый к областям p-типа, является управляющим электродом и называется затвором З.

Величина тока в канале зависит от напряжения U_С, приложенного между стоком и истоком, нагрузочного сопротивления и сопротивления полупроводниковой пластинки между истоком и стоком. Источник Е_ЗИ создаёт отрицательное напряжение на затворе, что приводит к увеличению толщины p-n перехода и уменьшению токопроводящего сечения канала. При этом увеличивается сопротивление между стоком и истоком и снижается величина тока стока I_С. Подключив последовательно с Е_ЗИ источник усиливаемого переменного напряжения U_ВХ, можно изменять ток через канал по закону изменения входного напряжения. Ток стока, проходя через сопротивление нагрузки R_Н, создаёт на нём падение напряжения, изменяющееся по закону U_ВХ. При соответствующем подборе величины R_Н можно добиться повышения уровня U_ВЫХ по сравнению с U_ВХ, т.е. усилить сигнал.

УГО канального ПТ:

 

 

 

Характеристики канального ПТ. На рисунке а представлено семейство выходных (стоковых) характеристик

I_С=f(U_С) при U_ЗИ=const.

Пусть напряжение затвор-исток U_ЗИ=0. При увеличении положительного U_С ток стока будет возрастать. Вначале эта зависимость будет почти линейной (участок 0А). Однако с возрастанием I_С увеличивается падение напряжения на канале, повышается обратное смещение p-n переходов (особенно вблизи стока), что ведёт к сужению токопроводящего канала и замедляет рост тока стока. В конечном итоге у стокового конца пластинки канал сужается настолько, что дальнейшее повышение напряжения уже не приводит к росту I_С  (участок АВ).

Зависимость I_С=f(U_ЗИ) при U_С=const (рисунок б) называется стокозатворной характеристикой. При определённом отрицательном значении напряжения затвор-исток канал закрывается, ток стока прекращается. Это напряжение называется напряжением отсечки U_{ЗИ ОТС}.

 

МДП-транзистор

Полевой транзистор с изолированным затвором имеет структуру металл-диэлектрик (окисел)-полупроводник, поэтому называется МДП- или МОП-транзистором. Принцип его работы основан на эффекте поля в поверхностном слое полупроводника.

 

ТИРИСТОРЫ

Тиристор – четырёхслойный полупроводниковый прибор, состоящий из четырёх последовательно чередующихся областей p- и n-типа.

Диодный тиристор (динистор) имеет выводы от двух крайних областей. Его называют неуправляемым переключающим диодом.

Схематическое изображение динистора приведено на рисунке а, а УГО динистора – на рисунке б. Крайние p-n переходы динистора (1 и 3) называются эмиттерными (они смещены прямо), а средний переход (2) – коллекторным (смещён обратно). Внутренние области называются базами. Электрод, обеспечивающий электрическую связь с внешней n-областью – катод, а с внешней p-областью – анод.

Для анализа работы тиристора представим четырёхслойную структуру в виде двух транзисторов: p-n-p (Т1) и n-p-n (Т2), при этом коллектор Т2 является базой Т1, а коллектор Т1 – базой Т2. При увеличении э.д.с. инжектированные одним из эмиттеров основные носители заряда пересекают область, где они являются неосновными, частично рекомбинируя в ней. Нерекомбинировавшие носители проходят через коллекторный переход и, оказавшись в области, для которой они являются основными, накапливаются здесь, понижая высоту потенциального барьера и способствуя инжекции носителей заряда из второго эмиттера. Таким образом, в базах накапливаются заряды: в p дырки, в n электроны. При определённом значении Е накопленные заряды сместят коллекторный переход прямо и прямой ток через тиристор резко вырастет. Структура перейдёт из закрытого состояния (IV) в открытое (I).

На вольт-амперной характеристике динистора можно выделить основные области: I – область малого положительного сопротивления; II – область высокого отрицательного сопротивления; III – область обратимого пробоя p-n перехода; IV – непроводящее состояние; V – обратное включение динистора. Ток удержания I_УД – минимальный ток, необходимый для поддержания открытого состояния динистора.

 

 

Триодный тиристор (тринистор) имеет выводы от двух крайних областей и от одной внутренней области. Он называется управляемым переключающим диодом.

УГО тринистора:

тринистор с выводом от p-области (с управлением по аноду)

 

 

тринистор с выводом от n-области (с управлением по каноду)

 

 

Для перехода триодного тиристора из непроводящего состояния в проводящее можно не только повышать напряжение внешнего источника Е, но и увеличивать ток управляющего электрода.

Чем больше по величине ток управляющего электрода I_У, тем при меньшем значении U_ВКЛ четырехслойная структура перейдёт из закрытого состояния в открытое.

 Тиристоры имеют четко выраженные переключающие свойства, позволяющие использовать их в различных схемах автоматики и вычислительной техники.

 

 

ПОЛУПРОВОДНИКИ

В соответствии с электронной теорией все окружающие нас вещества состоят из атомов, а те в свою очередь, из более мелких частиц: протонов, нейтронов и электронов. Протоны и нейтроны образуют ядро положительного заряда, а вокруг ядра вращаются отрицательно заряженные электроны. Например, атом водорода имеет всего один электрон. 

Электроны, расположенные на внешних орбитах атомов, называются валентными. Под действием соседних атомов или других причин электроны могут покинуть свою орбиту и стать свободными. При наличии электрического поля свободные электроны образуют электрический ток. Чем больше свободных электронов в веществе, тем выше его электропроводность.

Согласно квантовой теории энергия электронов может принимать лишь вполне определённые дискретные значения. Переход из состояния с меньшей энергией в состояние с большей энергией может произойти при условии поглощения извне порции энергии. При обратном переходе эта энергия должна быть отдана. Каждой орбите электрона соответствует определённая энергия – разрешённый энергетический уровень. Уровни энергии, которые не могут иметь электроны, называются запрещёнными.

На рисунке показаны энергетические диаграммы проводника, диэлектрика и полупроводника. 1– валентная зона; 2– запрещённая зона; 3– зона проводимости.

У проводников зона проводимости и валентная зона перекрывают друг друга – электроны легко становятся свободными и проводят электрический ток. У диэлектриков ширина запрещённой зоны велика (более 3эВ). Для полупроводников запрещённая зона составляет 0,5-3эВ, поэтому под действием тепла, света, электрического поля электроны из валентной зоны могут перейти в зону проводимости и стать свободными.

Полупроводники – большая группа веществ, которые по электрическим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками.

Важнейшее свойство полупроводников: зависимость их электропроводности от внешних условий (температуры, освещённости, внешних полей и др.)

Наиболее распространены кремний, германий, селен, арсенид галлия, карбид кремния, сульфат кадмия и др.

Кремний и германий 4-валентны, поэтому заряд ядра обозначен на рисунке «+4». Между атомами кристаллической решётки существуют связи. Связь между двумя соседними атомами осуществляется двумя валентными электронами – по одному от каждого атома. Эта связь называется парноэлектронной (ковалентной).

При освобождении электрона из ковалентной связи в последней остаётся свободное место, обладающее положительным зарядом, равным по величине заряду электрона. Такое освободившееся место назвали дыркой, а процесс образования пары электрон – дырка называется генерацией носителей заряда. Дырка может присоединить к себе электрон соседней связи (плюс к минусу), в результате восстанавливается одна связь (этот процесс называется рекомбинацией носителей заряда) и разрушается соседняя. Так дырка, переходя от одной связи к другой, будет перемещаться по кристаллу и образовывать дырочный ток.

Принцип дырочной проводимости показан на рисунке. В начальный момент времени в атоме 1 появилась дырка. Электрон атома 2 заполнил дырку в атоме 1, но образовал дыркув атоме 2. Последовательно переходя от одного атома к другому, дырка через некоторое время перейдёт в атом 6.

Различают 2 вида проводимости полупроводников: электронную или проводимость типа n (от negative – отрицательный) и дырочную или проводимость типа p (от positive – положительный).

В химически чистом кристалле число дырок всегда равно числу свободных электронов и электрический ток в нём образуется в результате одновременного переноса зарядов обоих знаков. Такая проводимость называется собственной проводимостью полупроводника.

Примесные полупроводники

В зависимости от того, атомы какого вещества будут введены в кристалл, можно получить полупроводник с электронной или дырочной проводимостью.

Проводимость, вызванная присутствием в кристалле полупроводника примесей из атомов с иной валентностью, называется примесной. Примесь, вызывающая в полупроводнике увеличение свободных электронов, называется донорной, а увеличение дырок – акцепторной.

Предположим, что в кристалл 4-валентного германия (рисунок слева), введён атом вещества, имеющий на внешней орбите пять электронов (например, мышьяк). Атом примеси четырьмя валентными электронами вступает в ковалентные связи с 4 соседними атомами германия. Пятый валентный электрон становится избыточным (свободным). Атом примеси при этом становится положительным ионом (т.к. заряд ядра больше заряда окружающих атом электронов). Так получают полупроводники с электронной проводимостью (n -типа).  

Введение трёхвалентного атома (например, галлия) в германий приводит к избытку дырок над электронами (рисунок справа). Ковалентные связи не будут полностью завершены и образовавшаяся дырка замещается электроном из соседней связи. Электрически нейтральный атом примеси превращается в отрицательный ион. Также появляется свободная дырка. Создаётся полупроводник с дырочной проводимостью (p -типа).

Электроны в полупроводнике n- типа и дырки в полупроводнике p-типа называются основными носителями заряда. Носители противоположного знака – неосновными.

 

Электронно- дырочный переход

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n- типа, а другая p-типа, называют p-n переходом.

Переход можно получить вплавлением или диффузией примесей в пластинки монокристалла полупроводника, а также путём выращивания перехода с регулируемым количеством примеси.

Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, а концентрация дырок в p-области выше, чем в n –области, на границе областей возникает диффузионный ток электронов из n- в p-область и дырок им навстречу (рисунок а). Если бы электроны и дырки были нейтральными, диффузия в конечном счёте при