Механизм проводимости в полупроводниках, p-n-переход.

Прежде всего поясним само понятие — полупроводник. Нам  знакомы уже материалы,
резко отличающиеся друг от друга по проводимости: медь (как проводник с весьма незначительным электрическим сопротивлением), уголь или высокоомный провод (как материал для изготовления резисторов) и различные пластмассы (как изоляционный материал, обладающий очень высоким электрическим сопротивлением). Полупроводник занимает место между проводником и изолятором (диэлектриком). В некоторых условиях он ведет себя как проводник, при других обстоятельствах — как диэлектрик. Чем же это объясняется? Исходным материалом для полупроводниковых диодов служат германий (Ge) и кремний (Si). Из курсов физики и химии нам знакомо строение атома. Мы знаем, что атом состоит из положительно заряженного ядра и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядра по стабильным орбитам. Электронная оболочка атома германия состоит из 32 электронов, четыре из которых вращаются по его внешней орбите.



 Именно эти четыре электрона, называемые валентными, существенным образом определяют его свойства. Атом германия стремится приобрести устойчивую структуру, присущую атомам инертных газов и отличающуюся тем, что на внешней их орбите находится всегда строго определенное число электронов  (например, 2, 8, 18 и т. д.).Таким образом, для приобретения подобной структуры атому германия потребовалось бы принять на внешнюю орбиту еще четыре электрона. Практически это осуществляется за счет того, что каждый валентный электрон объединяется в электронную пару с валентным электроном соседнего атома. Орбита каждого из валентных электронов становится общей для двух соседних атомов, а сами атомы германия приобретают устойчивую структуру, характерную для атомов инертных газов. Связи, возникающие при этом в кристалле германия, называют парно-электронными или ковалентными.




    Нас в основном интересуют электрические свойства полупроводников. Как видно из рисунка, все электроны на внешних орбитах атомов связаны со своими ядрами; свободных электронов нет. Такой кристалл ведет себя электрически как изолятор (диэлектрик). Под воздействием окружающей температуры атомы в узлах кристаллической решетки будут колебаться относительно положения покоя. В силу различных обстоятельств отдельные электроны время от времени могут отрываться от „своего" атома и свободно перемещаться в кристалле. В том месте, откуда ушел валентный электрон и где, следовательно, теперь недостает отрицательного заряда, образуется положительный пространственный заряд, именуемый дыркой. Такая дырка может быть заполнена электроном с внешней орбиты соседнего атома, в результате чего этот атом также приобретает положительный заряд. Так эстафетным порядком дырка может хаотично перемещаться по всему кристаллу. Если к кристаллу приложить электрическое напряжение, то свободные электроны потекут к положительному полюсу, а дырки (в таком же количестве) — к отрицательному. Для нас важно знать, что электрическая проводимость полупроводника в равной мере определяется как электронами (носителями отрицательного заряда), так и дырками (носителями положительного заряда). С ростом температуры собственная проводимость кристалла (электрическая проводимость беспримесного вещества) все более возрастает. При низких температурах германий ведет себя как диэлектрик, при высоких — как электрический проводник.
    Однако на электропроводность полупроводника можно влиять и иным путем. В узлы кристаллической решетки внедряют в качестве примесных посторонние атомы (этот процесс носит название легирования), имеющие пять или три валентных электрона, Примеси с тремя валентными электронами называют акцепторами, с пятью — донорами. Но ведь для образования ковалентных связей требуются, как указывалось выше, четыре валентных электрона. Поэтому в зависимости от типа примесей в кристалле образуются либо дополнительные электроны проводимости, либо дырки, число и подвижность которых уже при комнатной температуре весьма значительны. Донорной примесью, например для германия может быть пятивалентная сурьма. Атом донорной примеси образует с помощью четырех электронов ковалентные связи с четырьмя соседними атомами полупроводника пятый электрон атома примеси уходит и становится свободным. Акцепторная примесь, например индий, наоборот отрывает от атомов полупроводника электроны и присоединяет к себе. В результате образуется огромное количество дырок.
   
   
   
    Таким образом, электрическая проводимость полупроводника в результате легирования существенно возрастает. Полупроводник с избыточными электронами проводимости называют полупроводником n-типа, с избыточными дырками полупроводником р-типа. Электрическая проводимость р-типа определяется дырками, поэтому их называют здесь основными носителями заряда, а электроны проводимости — неосновными. В полупроводнике n-типа — наоборот.
    Рассмотрим, какие физические процессы происходят при контакте двух полупроводников с различным типом проводимости, или, как говорят, в р—n-переходе. Полученный полупроводниковый прибор называется полупроводниковым диодом.
   
   
   
    При контакте плоских шлифов р- и n-полупроводника образуется граничный слой, в котором носители отрицательного и положительного зарядов оказывают взаимное влияние друг на друга. Вследствие диффузии носителей заряда в n-области возникает положительный, а в p-области — отрицательный пространственный заряд. Разность потенциалов между n и p-областями носит название контактной разности потенциалов (у германия ~0,25 В). .
    Стоит приложить к переходу электрическое напряжение, как равновесие в граничном слое сразу нарушается. На рисунке, приложенное напряжение направлено навстречу контактной разности потенциалов. Оно способствует притеканию основных носителей заряда в граничный слой. Благодаря этому контактная разность потенциалов уменьшается и граничный слой становится очень узким (незначительное электрическое сопротивление). Переход оказывается включенным в пропускном направлении; через него протекает большой ток.
   
  
   
 При изменении полярности приложенного напряжения, основные носители начинают отсасываться из контактного слоя. Возникает высокий потенциальный барьер, преодолеть который основные носители практически не в состоянии (высокое электрическое сопротивление). Переход оказывается включенным в запорном направлении. К неосновным носителям (электроны проводимости в p-области и дырки в n-области) сказанное не относится. Их прохождению через граничный слой приложенное напряжение не препятствует. Возникает ток неосновных носителей, называемый обратным током. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно ниже, чем основных, обратный ток существенно меньше прямого. Поэтому говорят, что p-n-переход обладает выпрямляющим эффектом.

  Емкостные свойства электронно-дырочного перехода

     В тонком слое, образующемся на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности, содержатся ионизированные неподвижные атомы примеси и почти нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого такой слой обладает свойствами диэлектрика, и ЭДП (электронно-дырочный переход) можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого являются нейтральные р- и n-области. Если к р- и n-областям приложить обратное напряжение, толщина р-n-перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.
   Эта емкость р-n-перехода получила название зарядной, или барьерной, так как ее наличие обусловлено существованием положительных и отрицательных зарядов, или потенциального барьера на границе р- и n-областей. Барьерная емкость возникает в основном при обратных напряжениях на р-n-переходе.
   Емкостные свойства р-n-перехода используются в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. В варикапах величину зарядной емкости изменяют путем изменения приложенного к нему обратного напряжения.

    Устройство диодов

   По конструкции полупроводниковые диоды могут быть плоскостными или точечными.
 К металлическому основанию, называемому кристаллодержателем, припаивается пластинка полупроводника n-типа. Сверху в нее вплавляется капля трехвалентного металла, обычно индия. Атомы индия диффундируют (проникают) в полупроводниковую пластинку и образуют у ее поверхности слой р-типа. Между слоями р- и n-типов образуется ЭДП(электронно-дырочный переход). К кристаллодержателю и индию привариваются проводники, которые служат выводами диода. Для предохранения диода от механических повреждений, попадания на полупроводник света, пыли и влаги его помещают в герметичный корпус.
   Точечный полупроводниковый диод состоит из пластинки полупроводника n-типа и заостренной пружинки из вольфрама или фосфористой бронзы диаметром около 0,1 мм. Через прижатую к полупроводниковой пластинке пружинку пропускают электрический ток большой силы, в результате чего металлическая пружинка сваривается с полупроводниковой пластинкой, образуя под своим острием р-область. Между р-областью и  полупроводником n-типа возникает электронно-дырочный переход.
    Чем больше площадь ЭДП, тем больший ток может через него протекать и тем больше его емкость. Поэтому плоскостные полупроводниковые диоды применяются в электрических цепях, в которых протекают большие токи и когда емкостные свойства не оказывают заметного влияния на работу диода .В цепях токов высоких частот плоскостные диоды не будут иметь односторонней проводимости. Точечные диоды применяются в цепях с малыми токами и в высокочастотных устройствах, когда требуются малые емкости ЭДП.
    Изображают полупроводниковые диоды на электрических схемах в виде треугольника и отрезка, проведенного через одну из его вершин параллельно противолежащей стороне. В зависимости от назначения диода его обозначение может содержать дополнительные символы. В любом случае острая вершина треугольника указывает на направление протекания прямого тока через диод. Треугольник соответствует р-области и называется иногда анодом, или эмиттером, а прямолинейный отрезок — n-области и называется катодом, или базой.

 

  Характеристика полупроводникового диода

  Будем увеличивать прямое напряжение на диоде и замечать величины токов. По полученным данным построим график зависимости прямого тока от прямого напряжения. Рассмотрим этот график.

  Вначале прямой ток нарастает медленно т. к. в начальный момент электрическое поле батареи увеличивается от нуля, а электрическое поле p-n-перехода уменьшается. Когда напряжение батареи станет равным напряжению p-n-перехода (для германия 0,25В) электрические поля станут равными и противоположно направленными, результирующее поле равно нулю. С этого момента прямая характеристика становится линейной.

Теперь изменим полярность подключения батареи. Будем увеличивать обратное напряжение замечая величины токов построим график зависимости обратного тока от обратного напряжения. Рассмотрим его.

Обратный ток очень мал и почти не зависит от величины обратного напряжения т. к. он образован дрейфовым током т. е. неосновными носителями зарядов. Но при каком-то определенном напряжении обратный ток резко возрастает. Это явление называется электрическим пробоем. Объясняется это тем, что электроны приобретают большую скорость и ударяя об атомы выбивают их них электроны. Электрический пробой безопасен, если напряжение уменьшить диод останется исправным. Если же продолжать увеличивать напряжение то электрический пробой переходит в тепловой пробой. Это значит что диод нагревается и ток резко увеличивается за счет ухода электронов со своих атомов от повышения температуры.Тепловой пробой разрушает полупроводник, диод неисправен.