Основи електроніки (стр. 3 )

Незважаючи на те що електрони і дірки рухаються в протилежних напрямках, ці струми додаються, так як рух дірок являє собою переміщення електронів. Наприклад, якщо у власному напівпровіднику електронна складова струму= 6 мА, а діркова складова внаслідок меншої рухливості дірок = 3 мА, то повний струм провідності = 6 + 3 = 9 мА.

1.4 Домішкова електропровідність

Мал..8

Якщо в напівпровіднику є домішки інших речовин, то додатково до власної електропровідності з'являється ще домішкова електропровідність, яка в залежності від роду домішки може бути електронною або дірковою. Наприклад, германій, будучи чотирьохвалентним, має домішкову електронну електропровідність, якщо до нього додані п'ятивалентні сурма (8 або миш'як, або фосфор. Їх атоми взаємодіють з атомами германію тільки чотирма своїми електронами, а п'ятий електрон вони віддають в зону провідності. В результаті додається певна кількість електронів провідності. Домішки, атоми яких віддають електрони, називають донорами («донор» означає «дає, жертвує»). Атоми донорів, втрачаючи електрони, самі заряджаються позитивно. На мал. 8 за допомогою площинної схеми будови напівпровідника показано, як атом донорної домішки (пятивалентної сурми), що знаходиться в оточенні атомів германію, віддає один електрон в зону провідності.

Мал..9

Напівпровідники з переважанням електронної електропровідності називаються електронними напівпровідниками або напівпровідниками п-типу. Зонна діаграми такого напівпровідника показана на мал. 9. Енергетичні рівні атомів донора розташовані лише трохи нижче зони провідності основного напівпровідника. Тому з кожного атома донора один електрон легко переходить в зону провідності, і таким чином в цій зоні з'являється додаткове число електронів, що дорівнює числу атомів донора. У самих атомах донора при цьому дірки не утворюються.

Мал..10

Якщо ж чотиривалентний германій містить домішки тривалентних бору, або індію, або алюмінію, то їх атоми віднімають електрони від атомів германію і в останніх утворюються дірки. Речовини, що відбирають електрони і створюють домішкову діркову електропровідність, називають акцепторами («акцептор» означає «приймає»). Атоми акцептора, захоплюючи електрони, самі заряджаються негативно. Мал. 10 показує схематично, як атом домішки, розташований серед атомів германію, захвачує електрон від сусіднього атома германію, в якому створюється дірка.

Мал..11

Напівпровідники з переважанням діркової електропровідності називають дірковими напівпровідниками або напівпровідниками р-типу (мал. 11). Енергетичні рівні акцепторних атомів розташовуються лише трохи вище валентної зони. На ці рівні легко переходять електрони з валентної зони, в яких виникають дірки.

Щоб домішкова електропровідність переважала над власною концентрація атомів донорної домішки або акцепторної домішки повинна перевищувати концентрацію власних носіїв заряду .

Носії заряду, концентрація яких в даному напівпровіднику перевищує, називаються основними. Ними є електрони в напівпровіднику п-типа і дірки в напівпровіднику р-типу. Неосновними називаються носії заряду, концентрація яких менша, ніж концентрація основних носіїв. Концентрація неосновних носіїв в домішковому напівпровіднику зменшується в стільки разів, у скільки збільшується концентрація основних носіїв. Потрібно зауважити, що завжди для домішкового напівпровідника п-типа справедливе співвідношення

Сказане про напівпровіднику п-типу відноситься також і до напівпровідника р-типу. Для напівпровідника р-типу також завжди справедливе співвідношення

Мал..12

Розглянуті приклади наочно показують, що мізерно мала кількість домішок істотно змінює характер електропровідності і провідність напівпровідника.

Розглянемо проходження струму через напівпровідники з різним типом електропровідності, причому для спрощення будемо нехтувати струмом неосновних носіїв. На мал. 12, як і раніше, дірки зображені світлими, а електрони - темними кружками. Знаки "плюс" або "мінус" позначають відповідно заряджені атоми кристалічної решітки. В напівпровіднику п-типу під дією ЕРС джерела в проводах, що сполучають напівпровідник з джерелом, і в самому напівпровіднику рухаються електрони провідності. В напівпровіднику р-типу в сполучних проводах рухаються електрони, а в самому напівпровіднику струм слід розглядати як переміщення дірок.

Електрони з негативного полюса надходять в напівпровідник і заповнюють дірки, які сюди прийшли. До позитивного полюса приходять електрони із сусідніх частин напівпровідника, і в цих частинах утворюються дірки, які переміщуються від правого краю до лівого.

В електротехніці прийнято умовно напрям струму від плюса до мінуса. При вивченні електронних приладів зазвичай зручніше розглядати істинний напрямок руху електронів - від мінуса до плюса. Ми будемо показувати цей напрям стрілками з жирною крапкою на початку, а умовне направлення струму - стрілкою без крапки.

1.5 Дифузія носіїв заряду в напівпровідниках

В напівпровідниках крім струму провідності (дрейфу носіїв) може бути ще дифузійний струм, причиною виникнення якого є не різниця потенціалів, а різниця концентрацій носіїв. Якщо носії заряду розподілені рівномірно по напівпровіднику, то їх концентрація є рівноважною. Під впливом будь-яких зовнішніх впливів у різних частинах напівпровідника концентрація може
стати неоднаковою, - нерівноважною. Наприклад, якщо частину напівпровідника піддати дії випромінювання, то в ній посилиться генерація пар носіїв і з’явиться додаткова концентрація носіїв, названа надлишковою.
Так як носії мають власну кінетичну енергію, то вони завжди переходять з місць з більш високою концентрацією в місця з меншою концентрацією, тобто прагнуть до вирівнювання концентрації. Завжди причиною дифузії є неоднаковість концентрації частинок, а сама дифузія відбувається за рахунок власної енергії теплового руху частинок.

Дифузійний рух рухомих носіїв заряду (електрони і дірки) називається дифузійним струмом . Цей струм так само, як струм провідності, може бути електронним чи дірковим. Щільності цих струмів визначаються наступними формулами:

и
де величини і є так званими градієнтами концентрації, Dn і Dp - коефіцієнтами дифузії.

Градієнт концентрації характеризує, наскільки різко змінюється концентрація уздовж осі х, тобто яка зміна концентрації п або р на одиницю довжини. Якщо різниці концентрацій немає, то або і струм дифузії не виникає. Чим більше зміна концентрації або на даному відрізку, тим більше струм дифузії.

Коефіцієнт дифузії характеризує інтенсивність процесу дифузії. Він пропорційний рухливості носіїв, різний для різних речовин і залежить від температури. Коефіцієнт дифузії для електронів завжди більший, ніж для дірок.

Знак «мінус» у формулі щільності діркового дифузійного струму показує, що дірковий струм направлений в сторону зменшення концентрації дірок.

1.6 Електронно-дірковий перехід при відсутності зовнішньої напруги

Мал.13

Область на кордоні двох напівпровідників з різними типами електропровідності називається електронно-дірковим або п - р-переходом. Електронно-дірковий перехід має несиметричну провідність, тобто має нелі нійний опір. Робота більшості напівпровідникових приладів (діоди, транзистори та ін) грунтується на використанні властивостей одного або декількох п - р-переходів. Розглянемо більш докладно фізичні процеси в такому переході.