3. Основы промышленной электроники
3.1. Полупроводниковые диоды
3.1.1. Электропроводность полупроводников
Полупроводники бывают кристаллические, аморфные и жидкие. В полупроводниковой технике обычно используют только кристаллические полупроводники (монокристаллы с примесями не более одного атома примеси на 1010 атомов основного вещества). Обычно к полупроводникам относят вещества, по удельной электрической проводимости, занимающие промежуточное положение между металлами и диэлектриками. При комнатной температуре удельная электрическая проводимость их составляет от 10-8 до 105 См/м (для металлов – 106 - 108 См/м, для диэлектриков – 10-8 - 10-13 См/м). Основная особенность полупроводников – возрастание удельной электрической проводимости при повышении температуры (для металлов она падает). К полупроводникам относят многие химические элементы такие, как кремний, германий, индий, фосфор и др., большинство оксидов, сульфидов, селенидов и теллуридов, некоторые сплавы, ряд минералов.
Различают собственную и примесную электропроводность полупроводников. У основных полупроводников, используемых для создания полупроводниковых приборов, – германия и кремния – кристаллическая решетка тетраэдрическая (имеет форму правильной треугольной пирамиды). Каждый валентный электрон в кристалле принадлежит не только своему, но и ядру соседнего атома. При температуре 0 К в таком полупроводнике свободных носителей заряда нет. Однако с повышением температуры (или при другом энергетическом воздействии, например освещении) часть ковалентных связей может быть разорвана, и валентные электроны, став свободными, могут уйти от своего атома. При этом образуется пара подвижных носителей заряда. Процесс образования пары "электрон проводимости - дырка проводимости" называется генерацией пары носителей заряда. Электропроводность собственного полупроводника, возникающая за счет нарушения ковалентных связей, называется собственной электропроводностью. Процесс воссоединения электрона и дырки называется рекомбинацией.
Как известно из курса физики, если в полупроводник внести примесь, он будет обладать помимо собственной электропроводности еще и примесной. Примесная электропроводность может быть электронной или дырочной, это определяется валентностью примеси (избыточной или недостаточной). Если примесь избыточная, то есть имеет валентность большую, чем атом основного полупроводника, то в узле кристаллической решетки появляется положительно заряженный ион примеси, а в кристалле - свободный электрон. Примеси, атомы которых отдают свободные электроны, называются донорными. В таком примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном электронами, ее называют электронной, а полупроводники - полупроводниками n-типа. Электроны в полупроводниках n-типа являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.
Если примесь является недостаточной, то есть имеет валентность меньшую, чем атом основного полупроводника, то примесный атом превращается в отрицательный ион. Примеси, атомы которых способны при возбуждении принять валентные электроны соседних атомов, создав в них дырку, называются акцепторными.
В этом примесном полупроводнике электропроводность обусловлена в основном дырками, ее называют дырочной, а полупроводники - полупроводниками р-типа. Дырки для полупроводника р-типа - основные носители заряда, а электроны – неосновные.