Н.М. Изюмов, Д.П. Линде - Основы радиотехники (1083412), страница 53
Текст из файла (страница 53)
Но прн нарушении валентной связи я отрыве электрона в атоме остается незаполненная орбита, а сам атом приобретает положительный заряд, равный по абсолютному значению заряду электрона. Положительный заряд, получившийся благодаря отсутствию электрона, принято называть дыркой. Такое состояние атома неустойчиво: на место дырки может перейти электрон соседнего атома, и дырка окажется заполненной, т.е. положительный заряд будет компенсирован.
Но в соседнем атоме на месте ушедшего электрона снова образуется дырка; значит, она способна перемещаться как положительный заряд. Электроны, идущие на заполне- нне дырок, назовем электронами замещения. При наличии внешнего напряжении дырки будут перемещаться (как положительные заряды) в направлении линий электрического поля— от положительного зажима источника к отрицательному. Такое перемещение является дыр очным током. На рис. 8.27,6 показаны перемещения дырки, состоящие в поочередных разрывах электронных связей между атомами. Ток через полупроводник (показа. ния прибора во внешней цепи) равен сумме электронного и дырочного токов. Именно в этом состоит главное отличие тока в полупровод.
нике от чисто электронного тока в вакууме, а значит, и отличие полупроводниковых приборов от электронных ламп. Но не следует забывать двух обстоятельств: во-первых, по существу оба тока в полупроводнике физически являются электронными, так как дырочный ток есть так же движение электронов замещения и в ту же сторону, как н электронов электропроводности; во-вторых, д ы р к и обладают меньшей подвижностью, так как перемещаются от атома к атому, а не прямо между зажимами источника, и в общей сумме дырочный ток составляет меньшую долю, чем электронный. Число электронов в чистом полупроводнике равно числу дырок; наряду с возникновением пар н о с и т е л е й зарядов (т.
е. электронов и дырок) происходит и их рекомби наци я в нейтральные атомы. Следовательно, и к о и ц е н т р а ц и я носителей зарядов, т. е. нх количество в '1 см', для электронов н дырок одинаковы: и;-рь Здесь л — концентрация электронов, т. е. отрицательных (педайче) носите. 171 лей, а р — концентрация дырок, т. е. положительных (роай1че) носителей. Индекс 1 означает, что речь идет об идеальном (чистом) полупроводниковом материале.
Для германия, например, при комнатной температуре л;= =р;-1Ом см-' (т. е. в нубическом сантиметре). Таковы свойства собственной злектропроводности чистых полупроводников. В общем их проводимость мала. Для увеличения тока в чистый полупроводник вводятся примеси. Атомы примесей замещают в кристалличесной решетке некоторую (малую) часть атомов основного кристалла («монокристалла») н существенно изменяют его свойства. Если в качестве примеси ввести пятивалентный элемент (мышьяк, сурьма, фосфор), то четыре электрона примесного атома войдут в парные электронные связи с четырьмя атомамн четырехвалентного германия (или кремния); пятый же элеитрон окажется избыточным (рис. 8.28,а).
Этот электрон легко отделяется от своего атома и становится электроном электропроводности полупроводника, тогда как атом примеси оказывается положительным ионом. Значит, пятивалентная примесь резко повышает концентрацию л электронов, поэтому примесь называется д о н о рн ой (дающей электроны), а сам полупроводник становится «э л е к т р о ни ы и », или полупроводником л-типа. В таком полупроводнике электроны явлшотся основными н оси тел ями зарядов, а дырки — неосновными.
Концентрация дырок р уменьшается во столько раз, во сколько возрастает концентрация электронов л, так что лр = лз = рз (8.22) Уменьшение числа дырок объясняется тем, что с ростом числа электронов возрастает и число рекомбинаций их с дырками, которые не имеют пополнения. В случае введения в германий (илн кремний) трехвалентного элемента (индий, алюминий, галлий, бор) свойства монокрксталла изменяются в иную сторону.
Атом примеси своими тремя валентными электронами войдет в парные электронные связи с тремя атомами германия. Для четвертой связи недостает электрона. Тогда разрывается одна из валентных связей атома германия и заполняет все связи атома примеси; атом примеси становится отрицательным ионом, а в германии образуется дырка (рис.
8.28,6). Значит, трехеалентная примесь повышает концентрацию дырок р, поэтому называется а к ц е п т о р н о й (отнимающей электроны); сам полупроводник становится «дырочным», или п о л у п р о в о дником р-типа. В нем осиовныи и н о с и т е л я и и заряда являются дырки, а неосновными — элект р о н ы. Концентрация электронов л уменьшается во столько раз, во сколько возрастает концентрация дырок, так что формула (8.22) остается справедливой. Заметим, что число атомов примеси должно быть в миллиарды раз меньше числа ооновных атомов.
Получение сверхчистых полупроводников и дозированное введение прнмесей— серьезная технологическая задача. Если к куску полупроводника л-типа приложить внешнее напряжение, то элентроны будут двигаться к положительному зажиму и создадут ток во внешней цепи: будет и ток неосновных носителей (дырочный), но столь малый, что по сравнению с электронным 172 а) Рис. 8.28.
Кристаллы бе с примесями: а — донорной (сурьма Зо); б — акцепторной (индий 1п) 8.7. ЭЛЕКТРОНН(ЬДЫРОЧНЫН ПЕРЕХОД И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ а) г) 173 током им можно пренебречь. В куске полупроводника р-типа дырки направляются к отрицательному зажиму и здесь заполняются электронами. На- В одном монокристаллическом куске полупроводника введением соответствующих примесей можно создать две области — электронную и дырочную. Слой на границе этих областей называется электроино-дырочным п е р е х о д о м (короче, р — л переходом); такие переходы являются основой для создании любых видов полупроводниковых приборов.
Рассмотрим электрическое состояние перехода при отсутствии внешнего напряжения, Допустим, что в кристалле имелась резкая граница между областями электронной и и дырочной р проводимостей (рис. 8.29,а). Предполо- Рис. 8.29. Потенциальный барьер пе- рехода жим, что концентрация электронов в левой области (с донорными примесями) и дырок — в правой (с акцепторными примесями) одинаковы (ад † , рис. 8.29,6 и г). Электроны, имеющиеся в избытке в п-области, проникают (диффундируют) в р-областгь где электронная концентрация мала.
Перенос отрицательных зарядов слева направо правление тока во внешней цепи остается теи же, что и для и-та~па. Током веосновных носителей (электронов) здесь тоже можно пренебречь. приводит к тому, что дырочпая область заряжается отрицательно, а электронная — положительно. В результате этого электростатический потенциал электронной области становится более положительным, чем потенциал дырочной области (рис. 8.29,г). Если нарастающий отрицательный потенциал представить в виде горки, препятствующей движению электронов (потенциальный барьер), то легко понять, что приток электронов из левой области в правую прекратится и ток будет равен нулю. Разность потенциалов двух областей можно назвать к о н т а к т н о й разностью потенциалов; она создает элект ическое поле па границе. К рн установившейся разности потенциалов движение электронов все же не прекращается полностью.
Через барьер проходят электроны, имеющие достаточную для этого энергию. Но под действием электрического поля в контакте из правой области в левую могут беспрепятственно переходить любые свободные электроны, имеющиеся в малых количествах в дырочной области. Число их равно числу электронов, проникающих через барьер слева направо, т. е.
ток электропроводности компенсируется током диффузии. Это— состояние равновесия. Мы рассуждали о перемещениях электронов. Но то же можно сказать и о дырках, которые имеются в избытке в р-области и диффундируют в лобласть. Заряды дырок положительны, и поле, возникающее благодаря их диффузии справа налево, имеет то же направление, что и поле, созданное диффузией электронов слева направо.
При равновесном состоянии диффузионный ток дырок уравновешивается дырочиым током электропроводности, направленным обратно. Вблизи от контакта двух областей слева имеется относительный недостаток электронов, а справа — отиосител~ый недостаток дырок. Значит, на переходе концентрация носителей зарядов оказывается пониженной («о б е дн е н н ы й» слой), а сопротивление полупроводника повышенным (чэ а п ир а ю щ и й» слой). Равновесное состояние перехода и соответствующнй ему потенциальный барьер представлены на рис. 8.30 в р р О++ -О в,::о Рис. 8.30.
Объяснение механизма прохождения тока в элвктронно-дырочном переходе верхнем ряду; основные носители обведены большими кружками, а неосновные — малыми. Пусть на полупроводники типов н и р наложены с внешних сторон металлические электроды, контакт которых с полупроводником обладает очень малым сопротивлением. Присоединим к электроду полупроводника типа р положительный, а к электроду полупроводника типа и отрицательный полюс внешней батареи (рис. 8.30, средний ряд). При этом через р — в переход потечет ток; такой ток будет и во внешней цепи. Из рисунка видно, что в этом случае внешнее электрическое поле противоположно тому полю, которое имеется в переходном слое.
Иначе говоря, скачок потенциала р — и перехода окажется в той или иной мере скомпенсированным за счет действия ~внешнего поля. Основные восители тока каждого из полупроводников (большие кружки), двигаясь навстречу друг другу под действием внешнего поля, смогут преодолеть оставшийся скачок потенциала (потенциальный барьер) и проскочить через него. С увеличением напряжения будет возрастать число основных носителей, переходящих границу, а значит, и ток в цепи. Изменим полирность электродов на обратную, переключив источник тока (рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
