ПРИМЕСНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ

Электропроводность чистых (без примесей) полупроводников невелика из-за относительно небольшого содержания в них свободных электронов и дырок. Ситуация меняется, если в кристалл чистого полупроводника добавить незначительное количество атомов другого элемента с большей или меньшей валентностью атомов. Так, если в кристалл германия (4-х валентен) ввести примесь сурьмы (5-ти валентна), то ковалентная связь между разнородными атомами будет создаваться всеми четырьмя валентными электронами германия и только четырьмя валентными электронами сурьмы. Пятый же валентный электрон сурьмы окажется «не в удел», а поскольку он, будучи валентным, слабо связан с ядром своего атома и не занят в образовании ковалентной связи, то очень легко может покинуть свой атом, став свободным электроном без образования новой дырки. Таким образом, в кристалле полупроводника с примесью окажется больше свободных электронов, чем дырок. Поэтому при наложении на полупроводник внешнего электрического поля в кристалле возникает электрический ток, порождаемый, прежде всего, электронами. Такая проводимость называется электронной или просто проводимостью n -типа.

Если в тот же кристалл германия ввести некоторое количество индия (вместо сурьмы), то проводимость кристалл окажется обратной. Поскольку индий трёхвалентен, то в образовании ковалентной связи смогут принять участие только три его электрона. Такая связь атома индия с атомом германия окажется не до конца укомплектованной, что приведёт к образованию новой дырки без образования свободного электрона. В результате общее число дырок в кристалле окажется больше числа свободных электронов. Проводимость такого кристалла будет осуществляться, прежде всего, дырками. Поэтому она называется дырочной проводимостью или проводимостью p -типа.

С физической точки зрения особый интерес представляют процессы, происходящие в контактах полупроводников с различным типом проводимости. Тончайший слой на границе раздела двух полупроводников p- и n-типов принято называть p-n-переходом. При этом, очевидно, что в области полупроводника p-типа имеет место повышенная концентрация дырок, а в области n- типа – повышенная концентрация электронов. В результате взаимной диффузии электронов из n-области в p-область, а дырок из p-области в n-область, вблизи p-n-перехода n-область заряжается положительно, а p-область – отрицательно. При этом на границе раздела полупроводников возникает двойной электрический слой толщиной порядка 0,1 мкм, создающий электрическое поле, направленное от n-области к p-области, которое препятствует дальнейшей диффузии носителей. Благодаря этому полю возрастает энергия неосновных носителей (электронов в p-области и дырок в n-области). При этом в области p-n-перехода энергетические зоны искривляются, что приводит к возникновению потенциальных барьеров для электронов и дырок, а это приводит к оттоку неосновных носителей заряда из соответствующих областей. Поскольку ток неосновных носителей (ток проводимости или дрейфовый ток ) направлен навстречу току основных носителей (диффузионный ток ), то в результате взаимной компенсации результирующий ток через p-n-переход равен нулю (рис. 1. а.).

Ситуация меняется, когда к p-n-переходу приложено внешняя разность потенциалов. Если при этом напряжённость внешнего поля совпадает по направлению с вектором напряженности контактного поля, то говорят, что p-n-переход включён в обратном (запирающем) направлении. Высота потенциального барьера при этом увеличивается, что приводит к уменьшению диффузионного тока (рис. 1. б.). Ток же проводимости, вследствие малой концентрации неосновных носителей, с ростом разности потенциалов на p-n-переходе изменяется очень медленно. При достаточно высоком обратном напряжении на p-n-переходе ток через него обусловлен только дрейфовой составляющей и поэтому вовсе перестаёт зависеть от величины этого напряжения. Значение обратного тока при высоких обратных напряжениях называют током насыщения ( ).

При изменении полярности напряжения на p-n-переходе под действием внешнего поля потенциальный барьер уменьшится и ток проводимости останется практически неизменным, а диффузионный ток начнёт возрастать (рис. 1. в.) по экспоненциальному закону:

,      (1)

где  - ток насыщения; е – заряд электрона; k – постоянная Больцмана; Т – абсолютная температура; U – величина напряжения, приложенного к p-n-переходу в обратном направлении. Выражение (1) описывает вольтамперную характеристику (ВАХ) p-n-перехода.

Удобным средством при изучении свойств p-n-перехода является полупроводниковый диод, который представляет собой две сваренные между собой пластинки p- и n-типа. В такой пластинке можно выделить три зоны. Две из них расположены по краям, они относительно больших размеров и обладают одна проводимостью p-типа, а вторая - проводимостью n-типа (рис. 2). Третья зона называется p - n переходом и представляет собой очень узкую область, разделяющую области с p- и n-типами проводимости (она образуется на стадии изготовления диода в результате диффузии пластинок полупроводника с различными типами проводимости). Внешние поверхности областей с p- и n-типами проводимости покрывают металлическими электродами. Электрод, контактирующий с областью p-типа, называется анодом, а контактирующий с областью n-типа - катодом.

Если на электроды диода подать постоянное напряжение, соединив анод с положительным полюсом источника тока, а катод - с отрицательным, то под действием возникшего электрического поля электроны начнут перемещаться в сторону от катода к аноду (навстречу полю), а дырки - от анода к катоду (по ходу поля). В результате сопротивление p - n перехода резко уменьшается и через него начинает течь электрический ток, величина которого прямо пропорциональна приложенному напряжению. В этом случае говорят, что к диоду приложено прямое напряжение и через диод течёт прямой ток, а сам диод находится в открытом состоянии. Если изменить полярность прикладываемого напряжения, то электроны устремятся к катоду (на него теперь подан «+»), а дырки - к аноду (на нём – «-«). В результате область p - n перехода расширяется, образуя обеднённую зарядами зону, что ведёт к резкому возрастанию электрического сопротивления p - n перехода и ток через диод резко уменьшается в сотни раз. Диод переходит в закрытое состояние. В этом случае говорят, что к диоду приложено обратное напряжение и через диод течёт обратный ток.

Зависимость величины протекающего через диод тока от величины и направления приложенного к диоду напряжения называется вольтамперной характеристикой диода (рис. 3). Существование обратного тока объясняется тем, что технически невозможно изготовить полупроводники p - и n -типов, обладающих только дырочной или только электронной проводимостью. Наличие некоторого количества электронов в полупроводнике p -типа и дырок в полупроводнике n -типа и обеспечивает незначительный ток в обратном направлении (полным отсутствием обратного тока обладают только вакуумные диоды, работающие совершенно по иному принципу и в данной работе не рассматривающиеся). Поскольку величина обратного тока диода очень мала, то соответствующая ему ветвь ВАХ очень плотно «прижата» к оси напряжений.

Следует отметить, что стремление обеих ветвей ВАХ в бесконечность не означает, что к диоду можно прикладывать сколь угодно высокое прямое напряжение в надежде пропустить через диод очень большой ток. С ростом тока p - n переход сильно нагревается и плавится - диод перегорает. При этом цепь размыкается и диод перестаёт проводить ток даже в одном направлении. Нельзя подвергать диод и воздействию чрезмерно высокого обратного напряжения. В этом случае p - n переход, не выдерживая слишком сильного электрического поля, будет пробит. При этом свойство односторонней проводимости диодом будет утеряно и он станет проводить ток одинаково хорошо в обоих направлениях. Поэтому любой диод характеризуется прежде всего двумя основными параметрами - максимально допустимым прямым током  и максимально допустимым обратным напряжением . Диоды различных марок обладают различными значениями  и . Обе эти характеристики диода, наряду со множеством других его характеристик, можно найти в соответствующих справочниках по полупроводниковым приборам. Зависимость прямого тока от напряжения, вообще говоря, не линейна. Однако эта нелинейность заметно проявляется только на начальном участке кривой, где величина прямого тока очень мала и с ростом напряжения изменяется очень медленно. На этом участке ВАХ диод можно считать закрытым. Но при достижении между электродами прямого напряжения определённой величины диод открывается и дальнейшая зависимость тока от напряжения становится практически линейной. Разные диоды обладают различной величиной открывающего напряжения У диодов, изготовленных на основе германия, оно гораздо меньше, чем у кремниевых диодов (рис. 3). Эта способность разных диодов открываться при различных, но вполне определённых для каждого типа диода, напряжениях позволяет использовать полупроводниковые диоды при решении многих технических задач. Так, например, использование диода в качестве датчика температуры или для контроля величины переменного тока желательно использовать германиевый диод. В тех же случаях, когда необходимо избавиться от слабых электрических сигналов, применять следует кремниевый диод. В большинстве же других случаев германиевый и кремниевый диоды вполне взаимозаменяемы.

Способность диода проводить электрический ток характеризуется величиной электрического сопротивления p - n перехода, которое называется внутренним сопротивлением диода. Внутренне сопротивление закрытого диода в сотни раз больше, чем открытого, в результате чего и обратный ток диода значительно меньше прямого тока. Математически зависимость  может быть в первом приближении описана выражением (1). Однако, при более детальном рассмотрении вопроса необходимо учитывать ряд обстоятельств, связанных, прежде всего, с наличием двух контактов на границе полупроводник-металлический электрод. Как известно, при контакте двух тел, обладающих различной работой выхода, в месте их контакта возникает перетекание электронов так, что тело с меньшей работой выхода электронов заряжается положительно, а тело с большей работой выхода – отрицательно. В результате на границе металл-полупроводник возникает, так называемый, двойной электрический слой или запирающий слой и, следовательно, потенциальный барьер (помимо того потенциального барьера, который порождается самим p-n-переходом). Возникающая при этом в месте контакта разность потенциалов называется контактной разностью потенциалов. Образовавшиеся при этом заряды располагаются не строго на поверхности контактирующих тел (как это принято считать в электростатике), а распределены в пограничных слоях некоторой толщины. В металлах из-за большой плотности электронов в них, заряд сосредоточен почти точно на поверхности (в пределах одного-двух атомных слоёв), а в полупроводниках вследствие их малой проводимости он простирается на значительно большую глубину.

Наличие потенциального барьера на границе металл-полупроводник способен несколько изменить характер зависимости , что вынуждает переписать формулу (1) в виде:

,   (2)

где  - коэффициент, зависящий от строения запирающего слоя. При комнатной температуре для однородного тонкого слоя =1.