Полупроводники. Собственная и примесная проводимость.

Полупроводники – класс веществ которые по электропроводимости занимают промежуточное место между металлами и диэлектриками.

Особенность полупроводников – температурн завис-ть провод-ти. С ростом температуры электропроводимость растет.

Различают собственную и примесную пров-ть.

Собств. – чистые. У собств – концентр электр и дырок равны.

Классич n/пров относятся элементы 4й группы табл. Менделеева(Германий и Кремний)

n-пров облад. Дырочн провод-ю. Дырка-это вакансия, кот. образ-ся в рез-те разрыва 1 из связей атомов n/пров.

Зонная структура n/пров содержит валентную, запрещенную и зону пров-сти. Валлентная зона полностью заполенна электонами, зона пров-сти – пустая. При внеш. возбужд. эл-ны отрыв-ся от атомов что соотв переходу их в зону проводимости. На месте перешедшего электрона образ-ся дырка(рассм. как квазичастица имеющ положит заряд и соотв.массу)

Т.к. при собств пров-сти кол-во эл-нов которые попадают в зону пров-сти = кол-ву дырок в валентной зоне => уровень Ферми в собств n/пров разпологается строго поcередине запрещ зоны и слабо зависит от Т.

Примесная проводимость

Примеси донорные и акцепторные. Донорные примеси – поставщики эл-нов. Акцепторные – поставщики дырок. Донорные уровни распол. вблизи зоны пров-сти. Акцепт. уровни вблизи потолка валентн зоны. Мелкие примесные уровни легко ионизируются. Мелкими наз-ся, т.к. нах-ся вблизи соотв. зон.

Положение уровня Ферми при налич донорн примеси сильно зависит от температуры. Если примесьне ионизирована => уровень Ферми распологается м/у дном зоны проводимости и примесным донорным уровнем. по мере иониз. примесн полож-е ур-ня Ферми меяется и когда примесь полн ионизир. ур-нь Ферми смещ-ся к середине запрещ зоны.

Акцепторн примесь. У пров с примесью, валентн. которых на 1< валентн осн атомов напр. индий в гермении, преоблад. дырки. Примесь акцепторная, пров-сть дырочн. n/пров p-типа.

Акцепторн. уровни распологаются у потолка валентн. зоны, положение ур-ня Ферми зависит от Т. В n/пров р-типа осн. носителями являются дырки. Неосновным – электрон.

В n/пров n-типа основной носитель – е, неосновн – дырка.

В результате налич градиента конц дырок из р-обл устремл. в n-обл, а электроны из n в р.

В обл p\n перехода происходит рекомбинация эл-нов и дырок. В рез-те этого обр-ся слой, кот. получ назв запирающ слоя. Остаются отрицательн ионы в р области и полож в n области. Это связывает заряды кот. учавствовать в провод не могут. т.о запирающ зона облад большим сопротивл.

Положит и отриц ионы созд.внутр эл. поле Возникает эл поле припятств движ-ю носителей заряда через p-n переход. Однако это поле не припятств движ-ю неосновн. носителей. Процесс перераспределения зарядов прекращается когда ток осн носит через p-n переход уравновешивается током неосн.

Полупроводниковый диод.

Выпрямление токов, а также усиление напряжений и мощностей можно осуществить с помощью полупроводниковых устройств, одним из которых является полупроводниковый диод.

Основной элемент п/п приборов явл. p-n переход – тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости.

В р-области основными носителями тока являются дырки (белые точки), образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси; акцепторы при этом становятся отрицательными ионами (кружки с -). Кроме того в р-области имеется небольшое число неосновных носителей – электронов. В n-области основные носители тока – электроны (черные точки), отданные донорами (доноры превращ. в положительные ионы (кружки с +)) в зону проводимости; неосн. носители – дырки.

На границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется дырками, и положительными ионами донорной примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами. Электрическое поле в этом случае направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте.

Подадим на кристалл внешнее напряжение такого направления, чтобы плюс был подключен к р-области, а минус к n-области (прямое напряжение). Это приведет к возрастанию потенциала р-области и понижению потенциала n-области. В результате высота потенциального барьера уменьшится и ток I_осн возрастет. Ток же I_неосн останется практически без изменений. Результирующий ток быстро нарастает. Т.о., в направлении от р-области к n-области пропускает ток, сила которого быстро нарастает при увеличении приложенного напряжения. Это направление назыв. прямым.

Приложим к кристаллу напряжение такого направления, чтобы плюс был подключен к n-области, а минус к р-области (обратное направление). Повысится потенциальный барьер – уменьшится ток осн. носителей I_осн. Возникающий при этом результ. ток называется обратным и быстро достигает насыщения и становится равным I_неосн. При очень большом напряжении сила тока начинает резко возрастать, что обусловлено электрическим пробоем перехода.

Из ВАХ следует, что p-n переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом. Это обуславливается тем, что поле, возникающее в кристалле при наложении обратного напряжения, «оттягивает» основные носители от границы между областями, что приводит к возрастанию ширины переходного слоя, обедненного носителями. Соответственно увеличивается и сопротивление перехода.

Неодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлении позволяет использовать p-n переходы для выпрямления переменного тока.