Файл: Учебник радиометриста флота учебник для школ и учебных отрядов ВМФ..pdf

Г л а в а 5

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

§ 1. Проводимость полупроводниковых материалов

Полупроводниковыми называются приборы, работающие за счет диффузии (или дрейфа) носителей электрического заряда внутри твердого тела.

К полупроводникам относится большое количество различ­ ных материалов, удельная проводимость которых измеряется в пределах от 5,001 до 1010 Ом-см. В настоящее время материа­ лами для изготовления полупроводников являются германий, кремний, серое олово, селен, а также некоторые сплавы и окислы.

Удельная проводимость полупроводников не является ста­ бильной величиной и зависит от влияния внешнего электриче­ ского поля, температуры, освещенности, от внесенных в полупро­ водник примесей и других факторов. Это объясняется строением полупроводника.

Атомы в полупроводнике расположены в виде кристалличе­ ской решетки (рис. 83). Каждый атом связан с соседними ато­ мами с помощью пары валентных электронов, находящихся на

атома в соответствии с их значениями энергии распределяются

оси.

Верхнюю зону энергетических уровней отдельного атома со­ ставляют валентные электроны, которые в твердом теле и осу­ ществляют взаимосвязь атомов друг с другом. Эта зона назы­ вается валентной. Выше валентной зоны находится «запрещен­ ная зона», затем зона проводимости (рис. 84, а). Чтобы элек­ троны из валентной зоны могли переместиться через «запрещен-

89

Рис. 83. Условное изображение кристаллической решетки хими­ чески чистого полупроводника

Рис. 84. Энергетические уровни

90

ную зону» в зону проводимости, необходимо воздействовать на полупроводник каким-либо источником энергии. Электроны, по­ павшие в зону проводимости, в отличие от валентных электро­ нов не связаны с отдельными атомами. Они находятся в твердом теле в свободном состоянии и могут передвигаться от одного атома к другому хаотически или под действием внешнего элек­ трического поля направленно-.

Проводимость полупроводника, созданная движением сво­ бодных электронов, которые обладают энергией зоны проводи­ мости, называется электронной проводимостью.

Каждый валентный электрон, переходя в зону проводимости, оставляет в валентной зоне свободный энергетический уровень. Свободный энергетический уровень в валентной зоне называется дыркой. Дырку в ковалентной связи может заполнить электрон, высвободившийся при разрыве соседней ковалентной связи, где также появится дырка, и т. д., т. е. можно считать, что дырки в пределах валентной зоны движутся в направлении, противо­ положном направлению движения электронов. При наличии электрического поля, приложенного к полупроводнику, переме­ щение дырок становится направленным. Это равносильно пере­ мещению положительных зарядов, равных по величине зарядам электронов. Проводимость полупроводника, обусловленная дви­ жением дырок, называется дырочной проводимостью. Следует помнить, что дырки могут перемещаться только в валентной зоне полупроводника и в зону проводимости переходить не могут.

'Химически чистый полупроводник имеет только собственную электронную и дырочную проводимость, которая при нормаль­ ной температуре и освещенности практического значения не имеет.

Электропроводность полупроводника значительно увеличи­ вается при введении в него небольшого количества специально подобранных примесей.

Если в химически чистый материал полупроводника (в гер­ маний или кремний), являющийся четырехвалентным элемен­ том, ввести примесь пятивалентного элемента (например, фос­ фор, мышьяк или сурьму), то ряд атомов четырехвалентного материала в узлах кристаллической решетки замещается ато­ мами пятивалентного элемента. Как видно из рис. 85, пятый валентный электрон оказывается лишним для связи между ато­ мами и, легко отрываясь от своего атома, оказывается свобод­ ным. Оторвавшиеся от атомов примеси свободные от валентных связей пятые электроны образуют свой энергетический уровень, который расположен около границы «запрещенной зоны» и зоны проводимости. Таким образом, за счет свободных электронов зона проводимости увеличивается (рис. 84,6).

Примесь, увеличивающая число электронов в зоне проводи­ мости полупроводника, называется донорной, а сам полупро-

91

Рис. 85. Условное изображение кристаллической решетки полу­ проводника п-типа

Рис. 86. Условное изображение кристаллической решетки полупро' водника р-типа

92

водник — полупроводником . с электронной проводимостью, или полупроводником «-типа.

Если в химически однородный материал, состоящий из четы­ рехвалентных атомов, ввести примесь трехвалентного элемента, например индия, то, наоборот, для заполнения парных валент­ ных связей соседних атомов одного электрона будет нехватать. Атом примеси в кристаллической решетке материала полупро­ водника будет устойчивым отрицательным ионом, а в ковалент­ ной связи соседнего атома четырехвалентиого элемента оста­ нется дырка (рис. 86). При этом число дырок резко возрастает (рис. 84, б). Примесь, увеличивающая число дырок в полупро­ воднике, называется акцепторной, а полупроводник называется полупроводником, имеющим дырочную проводимость, или полу­ проводником р-типа.

Проводимость полупроводника с примесями в зависимости от их концентрации в тысячи раз больше, чем проводимость хи­

контактную поверхность (показанную на рис. 87,6 граничной линией): электроны — из области п в область р, дырки — из об­

93

ласти р в область п. Взаимное проникновение основных носите­ лей заряда в материал противоположного типа проводимости называется диффузией. Диффузия электронов и дырок, находя­ щихся в хаотическом тепловом движении, приводит к образова­

нейтрализованные положительные ионы примесных атомов, жестко связанные с кристаллическими решетками и образую­ щие объемный положительный заряд. Электроны, проникшие в область р из области п, через некоторое время воссоединя­ ются (рекомбинируют) с дырками области р, возвращаясь в ва­ лентную зону. Количество свободных электронов уменьшается. Время, в течение которого количество носителей заряда в ре­ зультате рекомбинации уменьшается в е раз (е = 2,718...), назы­ вается временем их жизни т. За время жизни, пока не про­ изошла рекомбинация, электроны проходят в слое 1Р расстоя­ ние, равное длине диффузионного смещения, способствуя обра­ зованию в пограничном слое 1Р объемного отрицательного за­ ряда. Объемный отрицательный заряд образуется не нейтрализо­ ванными зарядами отрицательных ионов из-за диффузии из об­ ласти р в область п дырок. Дырки, перешедшие в область л до рекомбинации с электронами, способствуют образованию в слое 1п объемного положительного заряда.

На границе n-р-перехода объемными зарядами создается разность потенциалов, подобная той, которая образуется на обкладках конденсатора. Контактная разность потен­ циалов на /г-р-переходе, образующаяся при отсутствии внеш­ него электрического поля, называется потенциальным барье­ ром.

Потенциальный барьер иП изменяется на /г-р-переходе для электронов от значения —и до значения +и (рис. 87, в), для дырок — от значения +ц до значения —и (рис. 87, г). Вне пе­ рехода разность потенциалов отсутствует. Чтобы преодолеть потенциальный барьер (в направлении, показанном на рис. 87,в,г сплошными стрелками), основные носители заряда должны иметь достаточную энергию. Но энергия их теплового движения ограничена, и по мере увеличения потенциального барьера все меньшее число основных носителей заряда спо­ собно преодолеть его. Вследствие этого закончится и рост по­

тенциального барьера.

Таким образом, потенциальный барьер препятствует диффу­ зии основных носителей заряда и является для них сопротивле­

(в направлении, показанном на рис. 87, в, г пунктирными стрел­ ками): электронов из области р в область п (рис. 87,в), дырок из области п в область р (рис. 87,а).

9 4