Файл: Основы радиотехники и радиолокации учеб. пособие.pdf

Рис. 10. 19. Энергетические зоны электронов в кристалле.

зоне близко к нулю, электропроводность чрезвычайно мала (в нормальных условиях).

В полупроводниках ширина запрещенной зоны сравни­ тельно невелика (A W i<2 э. в.), поэтому за счет энергии тепло­ вого движения часть электронов проникает в зону проводи­ мости, создавая ток проводимости. Электрическое поле способ­ ствует данному явлению.

Каждый валентный электрон, перешедший в зону проводи­

5 8 6

587

зона прободимасги

w

Ö© Ö • Ö

доноры

заполненная зона

полупроводнике; б — в полупроводнике с донорной примесью; в — акцепторной примесью.

ствий электроны диффундируют по кристаллу, однако в сред­ нем их смещение равно нулю.

Если к кристаллу приложено внешнее электрическое поле, то электроны в зоне проводимости смещаются в направлении, обратном направлению электрического поля.

Такой механизм электропроводности полупроводников на­ зывается э л е к т р о н н ы м . Однако при переходе электронов в свободную зону в заполненной зоне будут незанятыми не­ которые энергетические уровни — дырки. Благодаря теплово­ му движению или внешнему полю, соседний с дыркой элек­ трон может получить энергию, достаточную для того, чтобы заполнить дырку, но теперь дырка появится в другом месте и т. д.

Таким образом, дырки могут также перемещаться по крис­ таллу подобно свободным электронам, но навстречу им. Про­ водимость полупроводника, обусловленная перемещением ды­ рок, называется д ы р о ч н о й.

Вчистом полупроводнике каждый электрон, перешедший

всвободную зону, освобождает один уровень в заполненной зоне. Поэтому число электронов в свободной зоне равно числу

дырок в заполненной зоне, а ток в равной степени определя­ ется как электронной, так и дырочной проводимостями.

С ростом температуры ток через полупроводник увеличи­ вается.

588

Проводимость чистых полупроводников называется с о б ­

ст в е н н о й .

Б. Электрические свойства полупроводников с примесями

Вполупроводниковых диодах и триодах в качестве полу­ проводникового материала используются чаще германий или кремний, однако не в чистом виде, а с примесями. Примеси существенно влияют на характер проводимости полупровод­ ников, причем такое влияние неодинаково для разных приме­ сей. Известно, что атомы германия (кремния) имеют по че­ тыре валентных электрона.

Если в кристалл германия (кремния) ввести некоторое ко­ личество атомов вещества, имеющего пять валентных элек­ тронов (сурьма, мышьяк и др.), то каждый атом примесного вещества оказывается связанным парными связями с четырь­ мя атомами германия, а пятый электрон будет свободным.

Примесные энергетические уровни расположены в запре­ щенной зоне, недалеко от нижнего края свободной зоны (рис.

10. 216) .

Н а этих уровнях находятся электроны примесных атомов, не участвующие в парных связях между атомами. Эти элект­ роны за счет теплового движения могут легко перейти в сво­ бодную зону и под действием внешних сил оторваться от сво­ его атома.

Примеси, поставляющие электроны в свободную зону, на­ зываются д о н о р н ы м и .

Так как энергия, необходимая для перевода донорного электрона в свободную зону, значительно меньше энергии, необходимой для перевода в свободную зону валентного электрона основного материала (германия), то число донор­ ных электронов в свободной зоне будет значительно больше числа электронов, пришедших сюда из заполненной зоны.

Таким образом, при наличии внешнего поля электронная составляющая тока будет намного больше дырочной, а полу­ проводник имеет э л е к т р о н н у ю проводимость или прово­ димость типа «п».

Если в кристалл германия ввести некоторое количество ве­ щества, имеющего три валентных электрона (индий, галлий), то атомы его также вступают в двухэлектронные связи с ато­ мами германия. Для связи с четвертым атомом германия у атома примеси не хватает электрона. Эта связь может запол­ няться наиболее активными электронами соседних атомов

589

германия, за счет чего в заполненной зоне возникают дырки, а недалеко от верхней границы заполненной зоны — а к ц е п ­

называется граница соприкосновения двух полупроводнико­ вых образцов с проводимостью разного типа.

Рассмотрим поведение электронов и дырок в полупро­ водниках с проводимостями типа «п» и «р» вблизи их контак­

типа «п» останутся не нейтрализованными положительные ионы примесных атомов, а в пограничном слое области типа «р»— отрицательные ионы.

Результатом рассмотренного процесса является образова­ ние разности потенциалов Дф между образцами с проводимо­ стями разного типа (рис. 10. 22 в).

При движении из зоны в зону электроны и дырки преодо­ левают потенциальный барьер величиной Дф, для чего они должны совершать работу Д\Ѵэ= е 0Дф. Поэтому процесс нарас­ тания Дф конечен.

Приложим теперь к электронно-дырочному переходу напряжение с полярностью, указанной на рис. 10. 23 а.

Так как внешнее электрическое поле оказывается прило­ женным противоположно контактной разности потенциалов, то величина потенциального барьера уменьшается (Дфі<Дф, рис. 10. 23 6), что ведет к резкому увеличению тока іпр в пря­ мом направлении. Ток нарастает с увеличением напряжения по экспоненциальному закону:

где к — постоянная Больцмана;

Т— абсолютная температура.

Сизменением полярности питающего напряжения U внеш­ нее электрическое поле совпадает с контактной разностью

5 90