Тема 5. Электрический ток в полупроводниках.

1) Сравнение свойств проводников, диэлектриков, полупроводников.

2) Собственная проводимость полупроводников.

3) Примесная проводимость полупроводников.

4) Электронно-дырочный переход и его свойства.

5) Полупроводниковые диоды.

6) Полупроводниковые триоды – транзисторы.

 

1. Сравнение свойств проводников, диэлектриков, полупроводников.

По способности проводить электрический ток все вещества условно можно разделить на 3 группы:

проводники, полупроводники, диэлектрики.

а) По удельному сопротивлению:

- проводники

- диэлектрики

- полупроводники

б) Если увеличить температуру у металлических проводников, то сопротивление будет увеличиваться, у полупроводников и диэлектриков – уменьшаться, причем у полупроводников в большей степени.

в) Сопротивление проводников и диэлектриков от освещенности практически не зависит, а у полупроводников при увеличении освещенности сопротивление уменьшается.

г) При введении атомов примеси в проводники увеличивается сопротивление, а у полупроводников – уменьшается. К полупроводникам относятся элементы 4 группы таблицы Менделеева, а также сплавы элементов 4 группы с химическими элементами 3 и 5 групп.

2. Собственная проводимость полупроводников.

 

Рассмотрим собственную проводимость полупроводников на примере германия. Германий в таблице стоит на 32 месте в 4 группе, поэтому в дальнейшем будем рассматривать только валентные электроны германия. В кристаллической решетке связь между атомами германия ковалентная или парноэлектронная. При таком типе связи два соседних атома имеют одну общую электронную оболочку, на которой находятся два валентных электрона по одному от каждого атома. При сравнительно низких температурах все валентные электроны атомов германия участвуют в ковалентных связях. Свободных электронов нет и поэтому германий является диэлектриком.

-это ток электронов

- это ток дырок

 

Сообщим кристаллу германия дополнительную энергию, в результате нагревания или какого-либо излучения. За счет этой энергии электроны (валентные) могут разорвать ковалентные связи и из валентной зоны, перейти в зону проводимости, т.е. из связанного состояния перейти в свободное состояние. Такой процесс называется ГЕНЕРАЦИЕЙ ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОЙ ПАРЫ. Т.к. место незавершенной ковалентной связи называется дыркой.

Т.о. за счет дополнительной энергии в кристалле германия появились свободные носители заряда: электроны и дырки. Одновременно с процессом генерации электронно-дырочных пар в кристалле германия происходит обратный процесс, при котором свободные электроны из зоны проводимости возвращаются в валентную зону, т.е. вступают в ковалентные связи.

Поэтому, если внутренняя энергия кристалла не меняется, то концентрация электронно- дырочных пар будет примерно постоянной. Если в кристалле германия создать электрическое поле, то начнется направленное движение свободных электронов в одну сторону, а дырок – в противоположную. По этой причине дырке приписывается положительный знак заряда. Электроны и дырки, двигаясь направленно, образуют токи, причем в чистых полупроводниках ток электронов равен току дырок. Такая проводимость называется СОБСТВЕННОЙ ПРОВОДИМОСТЬЮ. Общий ток будет складываться из тока электронов и тока дырок.

3.Примесная проводимость полупроводников.

1. Электронная проводимость или проводимость типа «n» .

Введем в кристалл германия строго дозированные, небольшой концентрации атомы примеси с валентностью на единицу больше, чем у германия (5 валентный элемент). Атомы примеси вытесняют атомы германия из кристаллической решетки и вступают ковалентные связи с соседними атомами. Для завершения ковалентных связей необходимо 4 электрона, у атомов примесей их 5, поэтому один лишний и связан с ядром атома слабее, чем остальные, поэтому если кристаллу германия сообщить энергию, то первыми свободными становятся 5 электроны и при этом ковалентные связи не нарушаются. Если и происходит генерация электронно-дырочных пар, то все равно свободных электронов будет больше, чем дырок, поэтому в таких полупроводниках основными носителями тока являются электроны, дырки называются не основными носителями тока, ток электронов больше тока дырок. Такая проводимость называется ЭЛЕКТРОННОЙ или типа «п» , а сами полупроводники – полупроводниками типа «п».

2. Введем в кристалл германия атомы примеси с валентностью на единицу меньше, чем у германия (из 3 группы). Для завершения ковалентных связей необходимо 4 электрона у атомов примесей их 3, поэтому одна связь будет не завершенной, т.е. образуется дырка, поэтому в таких полупроводниках

количество дырок будет больше, чем кол-во электронов, и дырки будут являться основными носителями тока, а электроны не основными. Ток дырок больше тока электронов. Такая проводимость называется дырочной или типа «р», а полупроводники – полупроводниками типа «р».

4. Электронно-дырочный переход и его свойства.

 

Если соединить вместе два полупроводника с разным типом проводимости, то в месте контакта происходят процессы диффузии основных носителей тока, в результате которых образуются объемные, связанные между собой одинаковые по величине заряды противоположных знаков. Эти заряды создают электрическое поле с напряженностью Е₁, которое препятствует процессам диффузии

и вытесняет из р-н перехода основные носители заряда. Не основные носители зарядов тоже не могут удержаться в этом поле, поэтому концентрация свободных носителей зарядов в области р-п перехода будет мала, а сопротивление – велико по сравнению с остальными частями полупроводника. Сопротивление р-п перехода можно менять, подавая на него напряжение от внешнего источника тока.

 

1. При таком включении, как указано на рисунке, внешнее поле с напряженностью Е₂ направлено противоположно внутреннему полю Е₁ и его компенсирует, в результате этого процессы диффузии основных носителей зарядов восстанавливаются и появляются основные носители зарядов, поэтому сопротивление « Р-п» перехода уменьшается и через него идет ток основных носителей зарядов, называемый ПРЯМЫМ ТОКОМ.

2.Если подключить «Р-п» переход, как на рисунке, то внешнее поле Е совпадает с внутренним Е и его усиливает, поэтому ширина «Р-п» перехода увеличивается, увеличивается и сопротивление и через «Р-п» переход могут пройти только не основные носители зарядов, а их концентрация мала, поэтому образующий ими ток называется ОБРАТНЫМ ТОКОМ, он будет не большой величины.

Электронно-дырочный переход обладает явно выраженной односторонней проводимостью. Это свойство ««Р-п» перехода используется в полупроводниковых приборах, например в диодах, транзисторах.

5. Полупроводниковые диоды.

 

Диоды в основном изготавливаются из германия и кремния. Для германиевых диодов рабочий интервал температур от - 60С до + 75 С. Допустимая плотность тока 100А на см² Р-п перехода

( ). Для кремниевых диодов рабочий интервал температур от -60С до + 150С.

Допустимая плотность тока . По мере увеличения температуры концентрация не основных носителей зарядов возрастает, возрастает обратный ток и односторонняя проводимость диода становится менее заметной, поэтому при эксплуатации диодов необходимо выдерживать рабочий интервал температур.

6. Полупроводниковые триоды – транзисторы.

Транзистор – полупроводниковый прибор с двумя Р-п переходами и тремя выводами, используемый для усиления переменного тока.

Э – эмиттер, Б – база, К – коллектор.

Эмиттерый Р-п переход – (левый), включен в прямом направлении.

Коллекторный п -р переход (правый)– в обратном направлении.

 

КОНСТРУКТИВНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ТРАНЗИСТОРА:

1) Концентрация дырок на эмиттере должна быть примерно в 1000 раз больше концентрации электронов на базе.

2) Ширина базы должна быть меньше длины свободного пробега дырок на базе.

 

ПРИНЦИП РАБОТЫ:

1) Если напряжение на входе 0, то ток эмиттера равен 0; ток коллектора отличен от 0, но не большой величины, т.к. коллекторный Р-п переход включен в обратном направлении.

2) Подадим на вход транзистора небольшое по величине напряжение, т.к. эмиттерный Р-п переход открыт, то в цепи эмиттера появится ток в основном представленный током для дырок, идущих с эмиттера на базу ( т.к. концентрация дырок больше концентрации электронов ). На базе дырки становятся не основными носителями тока. Для них коллекторный Р-п переход открыт, т.к. ширина базы меньше длины свободного пробега дырок, то большая часть дырок

 

проходит через базу и электрическим полем коллекторного Р-п перехода сбрасывается в цепь коллектора и по цепи коллектора пойдет ток примерно равный ( немного меньше ) току эмиттера.