Вопросы для самопроверки:

1. Как образуется устойчивая кристаллическая решётка, состоящая из атомов кремния?

2. Что такое ковалентная связь в твердом теле?

3. Сколько электронов на внешней оболочке имеет кремний?

4. Что такое донорная примесь?

5. Какое вещество может быть использовано в качестве донорной примеси?

6. Что такое p-полупроводник?

7. Что такое акцепторная примесь?

8. Какое вещество может быть использовано в качестве акцепторной примеси?

9. Что такое n-полупроводник?

10. Нарисуйте расположение разрешённых энергетических уровней атомов донорной примеси.

11. Как смещается уровень Ферми при введении в полупроводник донорной примеси?

12. Нарисуйте расположение разрешённых энергетических уровней атомов акцепторной примеси.

13. Как смещается уровень Ферми при введении в полупроводник акцепторной примеси?

14. Дайте определение понятиям «основные» и «неосновные» ноcители заряда.

15. Чем определяется количество основных и неосновных носителей в примесных полупроводниках?

16. Как ведут себя свободные электроны в n-полупроводнике?

17. Какой механизм движения дырок в p-полупроводнике?

18. Что произойдёт с примесным полупроводником, если концентрация примеси будет очень большой?

2.3. Электронно-дырочный р-n переход.

На основе специальных технологий соединения примесных полупроводников n и p типов можно создать p-n переход, являющийся основой многих электронных приборов.

Предположим, что удалось соединить два примесных полупроводника n и p-типов. В этом случае по законам диффузии должно начаться движение электронов из области n, где их концентрация велика, в область p, где их концентрация мала. Одновременно должна происходить диффузия дырок из области p в область n. Этот диффузионный процесс встречного движения электронов и дырок называется диффузионным током. Электроны, попадая в область p, рекомбинируют (взаимно уничтожаются) с дырками, которые в свою очередь рекомбинируют в области n с электронами.

Процессы диффузии и рекомбинации приводят к тому, что в зоне p-n перехода со стороны n-полупроводника образуется некоторое количество некомпенсированных электронами положительных ионов примеси, а со стороны p-полупроводника н екоторое количество некомпенсированных дырками отрицательных ионов примеси (рис.2.8).

Рис.2.8. Схематическая структура p-n перехода в равновесном состоянии.

Некомпенсированные заряды положительных и отрицательных ионов приведут к возникновению электрического поля, к появлению так называемого потенциального барьера. Электрическое поле, возникшее из-за образования потенциального барьера, вызовет обратное диффузионному движение электронов и дырок. Действительно, некомпенсированные отрицательные ионы примеси из зоны p-n перехода будут притягивать неосновные носители-дырки из области n-типа, а некомпенсированные положительные ионы примеси из зоны р-n перехода будут притягивать неосновные носители - электроны из области р-типа. Возникнет дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионному току. При условии равновесия, т.е. в случае, если к p-n переходу не приложено внешнее электрическое поле, дрейфовый ток точно равен диффузионному: i_дрейф=i_диф., где i_дрейф – дрейфовый ток, i_диф. –диффузионный ток.

В озникновение потенциального барьера в p-n переходе можно объяснить и с помощью энергетической диаграммы. Гипотетически предположим, что два куска полупроводника n и p типов, выполненные на основе одного материала и одинаковых цилиндров, имеющие идеально ровные боковые грани, соединены между собой этими гранями. В этом случае уровень Ферми должен быть одинаков по всей длине полученного материала, составленного из n- и p-полупроводников, т.к. вероятность нахождения электрона, равная 0,5, должна быть везде одинакова, в том числе и в месте соединения. С учетом энергетических диаграмм на рис. 2.6 и 2.7 получаем энергетическую диаграмму, представленную на рис.2.9.

Рис.2.9. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии(W-энергия, ℓ - длина)

Как видно из диаграммы, уровень Ферми одинаков по всей длине материала, причем ∆W – величина потенциального барьера, а ∆l – ширина p-n перехода.

При присоединении к p-n переходу источника э.д.с. ток либо потечёт через p-n переход, либо ток будет практически отсутствовать. Всё зависит от полярности приложенного напряжения.

При присоединении к p-n переходу э.д.с. E, как показано на рис.2.10а, электроны из n-области будут притягиваться положительным напряжением источника э.д.с., а дырки из р-области будут притягиваться отрицательным напряжением источника э.д.с. В этом случае область р-n перехода сужается потенциальный барьер снижается и через p-n переход течёт ток. При этом считается, что p-n переход смещён в прямом направлении. При присоединении к p-n переходу э.д.с. Е, как показано на рис.2.10б, дырки из р-области будут отталкиваться положительным напряжением э.д.с., а электроны из n-области будут отталкиваться отрицательным напряжением. В этом случае область р-n перехода расширяется потенциальный барьер повышается, а ток будет очень мал и обусловлен движением неосновных носителей. Действительно, неосновные носители в области р-типа – электроны будут притягиваться к положительному полюсу источника Е, а неосновные носители в области n-типа – дырки будут притягиваться к отрицательному полюсу источника Е. Считается, что при этом р-n переход смещён в обратном направлении.

Р ис.2.10. Р-n переход, смещённый в прямом а) и обратном б) направлении.

Анализ процессов происходящих в p-n переходе при присоединении к нему источника э.д.с., даёт следующую зависимость тока от приложенного напряжения: , где I_n и U_n – соответственно ток через переход и напряжение на p-n переходе, I₀ – ток неосновных носителей через p-n переход, смещённый в обратном направлении, φ_Т – температурный потенциал, определяемый формулой , где k - коэффициент Больцмана, T – абсолютная температура по Кельвину, q – заряд электрона (при комнатной температуре можно считать, что φ_Т=25мВ, m – коэффициент, учитывающий отличие p-n перехода от его идеальной модели).

Считается, что на р-n переходе положительное напряжение, если его полярность такая, как на рис.2.10а. При изменении полярности приложенного напряжения считается, что к р-n переходу приложено отрицательное напряжение.

При сравнительно малых отрицательных напряжениях на p-n переходе │exp(U_п/mφ_т)│≈1 не все неосновные носители, попавшие в зону p-n перехода, через него проходят. При достаточно больших отрицательных напряжениях на p-n переходе │exp(U_п/mφ_т)│<< 1 через него проходят все неосновные носители, попавшие в зону p-n перехода. Поскольку при определённой температуре количество неосновных носителей электронов и дырок, обусловленных проводимостью собственного полупроводника постоянно, то и количество неосновных носителей попадающих в зону p-n перехода, постоянно. Таким образом обратный ток p-n перехода при достаточно больших отрицательных напряжениях на p-n переходе стремится к постоянной величине, равной I₀, т.е. I_n=-I₀. Величина I₀ в значительной степени зависит от температуры: с её ростом количество неосновных носителей увеличивается, т.к. увеличивается генерация пар электрон-дырка в собственном полупроводнике. При этом ток I₀ растёт. Величина I₀ зависит также от площади p-n перехода. Чем площадь больше, тем больше ток I₀. Типовые значения тока I₀ от десятков пикоампер до единиц мкА.

Положительное напряжение, приложенное к p-n переходу, вызывает увеличение тока через p-n переход. При этом рост тока с увеличением напряжения происходит по экспоненте.

С ростом температуры при смещении p-n перехода в прямом направлении действуют два противоположных фактора: I₀ растёт, как об этом говорилось выше, что способствует росту тока через переход, φ_Т также растёт, что вызывает уменьшение тока через переход. Однако эти два фактора несопоставимы по своему влиянию на ток через переход. Увеличение I₀ с ростом температуры приводит к гораздо большему возрастанию тока через переход, чем его уменьшение за счёт роста φ_Т. Изменение прямого и обратного токов через p-n переход с ростом температуры приведены на рис.2.11.

Рис.2.11. Изменение вольтамперной характеристики кремниевого p-n перехода при разных t.

Таким образом, как и во всех полупроводниках с ростом температуры при приложенном напряжении ток также растёт.