Электрическая проводимость полупроводников. Обозначения диодов на схеме. Строение атомов полупроводников

По своей способности проводить электрический ток, полупроводники занимают промежуточное место между хорошими проводниками и диэлектриками. Проводимость этих материалов существенно меняется под влиянием внешних факторов. Такими факторами могут быть, например, температура или количество примесей. В данной статье мы будем рассматривать влияние примесей на проводимость кремния(Si), самого популярного полупроводника в производстве электронных компонентов.

Чистый полупроводник не является хорошим проводником или хорошим изолятором. Наиболее распространенными элементами для полупроводников являются кремний, германий и углерод. Энергетические полосы Валентный слой атома представляет собой полосу определенного энергетического уровня и что валентные электроны ограничены этой полосой.

Когда электрон получает достаточную дополнительную энергию от внешнего источника, он может оставить валентный слой, стать свободным электроном и существовать в том, что называется зоной проводимости. На рисунке 1 показаны энергетические диаграммы для изолятора, полупроводника и проводника. Энергия Полоса проводимости Энергетическая щель Большой энергетический зазор между полосами. Валентность валентности не может перейти к зоне проводимости. Изолятор Рис. 1 Валенсийская полоса.

Кристаллическая решетка кремния

В обычном состоянии, атомы кремния образуют кристаллическую решетку . На внешней электронной оболочке атома находятся четыре электрона. С их помощью, устанавливается ковалентная связь с четырьмя соседними атомами. Каждый электрон в такой связи принадлежит двум атомам одновременно. Таким образом, у каждого атома на внешней электронной оболочке находиться восемь электронов. В результате, поскольку последний уровень электронной оболочки оказывается завершенным, у атома очень трудно забрать его электроны и материал ведет себя как диэлектрик (не проводит электрический ток).

Энергия Проводящая зона Полупроводник Энергетическая щель Рис. 2 Валенсийская полоса. Энергетические зоны перекрываются в проводнике. Энергопровод Проводящий диапазон перекрытия Валенсийская полоса Рис. 3. Проводящие электроны и дырки Внутренний кристалл кремния при комнатной температуре выделяет тепловую энергию из окружающего воздуха. Некоторые валентные электроны затем поглощают достаточную энергию, чтобы пересечь зазор между валентной зоной и зоной проводимости, тем самым превращаясь в свободные электроны, чтобы отклоняться, не привязанные к атомному току.

Легирование полупроводников

Для того чтобы повысить проводимость полупроводников, их специально загрязняют примесями – атомами химических элементов с другим значением валентности. Примеси с меньшим количеством валентных электронов, чем у полупроводника, называются акцепторами . Примеси с большей валентностью – донорами . Сам этот процесс называется легированием полупроводников. Примерное соотношение - один атом примеси на миллион атомов полупроводника.

Свободные электроны также называют электронами проводимости. Эта ситуация проиллюстрирована на энергетической диаграмме рисунка. Энергетическая пара. Электронно-дырочная свободная электронная зона проводимости. Пространственная полоса валентности. Создание электронно-дырочной пары в возбужденном атоме кремния. Электрон в зоне проводимости является свободным электроном.

Когда напряжение подается через кусок кремния, электроны, выделяемые тепловой энергией в зоне проводимости, свободно перемещающиеся случайным образом в кристаллической структуре, затем легко притягиваются к положительному полюсу. Это свободное движение электронов является типом тока в полупроводниковом материале и называется электронным током. Другой тип тока происходит на уровне валентности, где дырки, создаваемые свободными электронами, остаются. Электроны в валентной зоне всегда связаны с их атомами и не могут свободно перемещаться в кристаллической структуре.

Типы проводимости полупроводников

1. Электронная проводимость

Добавим в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As). Посредством четырех валентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабо связанным с атомом.

Однако валентный электрон может перемещаться в соседнее отверстие с небольшим изменением его энергетического уровня, оставляя еще одно отверстие. Этот ток называется током дырки. Проводимость кремния и германия может быть резко увеличена и контролироваться добавлением примесей в собственном полупроводнике. Этот процесс, называемый допинг, увеличивает количество носителей тока.

Это атомы с пятью валентными электронами, такими как мышьяк, фосфор, висмут и сурьма. В центре показан примесный атом сурьмы. Это атомы с тремя валентными электронами, такими как алюминий, бор и галлий. Количество отверстий может контролироваться количеством трехвалентной примеси, добавленной к кремнию.

Под действием электромагнитного поля, такой электрон легко отрывается, и вовлекается в упорядоченное движение заряженных частиц (электрический ток). Атом, потерявший электрон, превращается в положительно заряженный ион с наличием свободной вакансии - дырки .

Несмотря на присутствие дырок в полупроводнике кремния с примесью мышьяка, основными носителями свободного заряда являются электроны. Такая проводимость называется электронной , а полупроводник с электронной проводимостью - полупроводником N-типа .

Отверстие, созданное этим методом легирования, не сопровождается электроном проводимости. В центре показан атом примеси бора. Проводимость: Проводимость представляет собой параметр, который указывает источник проводимости электрического тока материала, тем больше он, тем больше материал является хорошим проводником тока.

Подвижность - это параметр, учитывающий инерцию кристаллической решетки или трение, оказываемое этой решеткой на электронах и дырах. Это постоянная величина для данного материала при данной температуре. Сопротивление Сопротивление противоположно проводимости, это параметр, указывающий на изоляционную способность материала. Чем выше удельное сопротивление, тем больше материал изолирует.

2. Дырочная проводимость

Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов кремния.

Его символ и его схематическая структура представлены цифрами. Нейтральная зона. Работа обратного поляризационного перехода проиллюстрирована на фиг. 4-Энергетические диаграммы прямой и обратной поляризации На фиг. 9 показаны энергетические диаграммы в равновесии, в обратной и прямой поляризации.

Напряжение смещения должно быть больше потенциального барьера. Носители большинства обеспечивают прямой ток. Слой истощения сокращается. Напряжение смещения должно быть меньше напряжения пробоя. Носители миноритарности обеспечивают низкий обратный ток.

Атом индия превратиться в негативно заряженный ион, а в ковалентной связи соседних атомов образуется вакансия (дырка). В свою очередь, на это место может перескочить электрон из соседней ковалентной связи. В результате получается хаотическое блуждание дырок по кристаллу.

Область обнищания расширяется. Чаще всего мы используем упрощенные отношения. По мере увеличения отрицательного напряжения возникает только очень малый ток обратной связи, а напряжение на перекрестке увеличивается. Когда напряжение на диоде увеличивается достаточно, а обратное напряжение на диоде достигает значения пробоя, обратный ток начинает быстро возрастать.

Если вы все еще верите в напряжение, ток очень быстро увеличивается, а напряжение на перекрестке превосходит. Образец твердого вещества, помещенного в электрическое поле, обычно показывает один из двух типов поведения: проводящий или изолирующий, в зависимости от того, протекает ли электрический ток там или нет. Текущее наблюдение показывает, что металлы обычно являются хорошими проводниками, в то время как ионные, ковалентные или молекулярные материалы обычно являются изоляторами. Электропроводность действительно связана с наличием электронов, которые могут легко перемещаться в твердом теле, под действием электрического поля.

Если поместить полупроводник в электромагнитное поле, движение дырок станет упорядоченным, т.е. возникнет электрический ток. Таким образом, обеспечивается дырочная проводимость . Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником P-типа .

PN–переход

Соединив вместе материалы P-типа и N-типа, на их стыке мы получим область электронно-дырочного перехода (PN -перехода). Происходящие внутри PN-перехода физические процессы между электронами дырками, легли в основу принципа работы полупроводниковых приборов.

Однако это поле должно быть достаточно сильным, чтобы преодолеть энергию связи электронов. Электронная проводимость твердых тел и теория полос. Кристаллическая решетка металлов формируется в первом приближении пачкой положительных ионов с небольшим зарядом в среднем и относительно подвижными валентными электронами в сети, поскольку они испытывают небольшое электростатическое притяжение, которое связывает их с атомом. из-за их расстояния от этого.

Первоначально считается, что электрон движется в постоянном электростатическом потенциале, положительном по отношению к внешнему. Электрон не может оставить твердое тело, и в этой модели пустого ящика пренебрегают большими потенциальными вариациями, которые испытывает электрон вблизи положительных ионов сети и взаимодействий между электронами. Можно показать, что электрон в пустом поле может занимать только дискретные уровни энергии, т.е. его энергия количественно определена, как в атоме. Наивысший уровень занятой энергии называется уровнем Ферми, это функция температуры.

Электронным полупроводником или полупроводником типа n (от латинского negative - отрицательный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого помимо основных (четырехвалент-ных) атомов содержатся примесные пятивалентные атомы, называемые донорами. В такой кристаллической решетке четыре валентных электрона примесного атома заняты в ковалентных связях, а пятый (“лишний”) электрон не может вступить в нормальную ковалентную связь и легко отделяется от примесного атома, становясь свободным носителем заряда. При этом примесный атом превращается в положительный ион. При комнатной температуре практически все примесные атомы оказываются ионизированными. Наряду с ионизацией примесных атомов в электронном полупроводнике происходит тепловая генерация, в результате которой образуются свободные электроны и дырки, однако концентрация возникающих в результате генерации электронов и дырок значительно меньше концентрации свободных электронов, образующихся при ионизации примесных атомов, т.к. энергия, необходимая для разрыва ковалентных связей, существенно больше энергии, затрачиваемой на ионизацию примесных атомов.Концентрация электронов в электронном полупроводнике обозначается nn, а концентрация дырок - pn. Электроны в этом случае являются основными носителями заряда, а дырки - неосновными.

Если в непрерывном потенциале электрон делокализован в ящике, в периодическом потенциале амплитуда волны, связанная с ее смещением и модулированная периодичностью сети: вероятность наличия электрона больше близка к положительный ион, что хорошо с точки зрения электростатического притяжения. Пока модуляция остается слабой, далеко от положительного иона, электрон движется как в пустой коробке. Вблизи положительного иона модуляция становится сильной, возмущение энергии велико и электрон может иметь четкие выделения двух уровней энергии: интервал, разделяющий эти два уровня, называется зазором или полосой В твердом теле, если мы рассматриваем масштаб возможных состояний энергии, появляется ряд разрешенных энергетических полос, доступных для электронов, разделенных запрещенными зонами.

Дырочный полупроводник

Дырочным полупроводником или полупроводником типа p (от латинского positive - положительный) называется полупроводник, в кристаллической решетке которого (рис. 1.4) содержатся примесные трехвалентные атомы, называемые акцепторами. В такой кристаллической решетке одна из ковалентных связей остается незаполненной. Свободную связь примесного атома может заполнить электрон, покинувший одну из соседних связей. При этом примесный атом превращается в отрицательный ион, а на том месте, откуда ушел электрон, возникает дырка.

Кристаллизованное твердое вещество характеризуется своей структурой. полосы. Принцип исключения Паули и правила заполнения электронных уровней заставляют нас признать, что первая полоса заполнена: это валентная полоса. Вторая полоса выше запрещенной зоны пуста даже при высоких температурах, потому что щель велика перед термическим перемешиванием. Эта вторая полоса называется зоной проводимости. Возбуждение электрона сверху валентная зона до дна зоны проводимости очень сложна: это означает, что уровень Ферми слишком далеко от зоны проводимости.

В дырочном полупроводнике, также как и в электронном, происходит тепловая генерация носителей заряда, но их концентрация во много раз меньше концентрации дырок, образующихся в результате ионизации акцепторов. Концентрация дырок в дырочном полупроводнике обозначается pp, они являются основными носителями заряда, а концентрация электронов обозначается np, они являются неосновными носителями заряда.

Ситуация сильно отличается, когда первая полоса энергии не полностью заполнена электронами. Полоса, которая в принципе могла бы вмещать валентные электроны, остается неполной, а занятые состояния - более низкой энергией. Как только материал подвергается воздействию электрического поля, каждый электрон подвергается воздействию силы и изменяется его количество, возможны прыжки в свободных участках зоны, и все занятые состояния подвергаются трансляции. Проводящий материал является проводящим, материал проводящий, а в электрических проводниках валентная зона является неполной.

3 . p-n - ПЕРЕХОД (электронно-дырочный переход) - слой с пониженной электропроводностью, образующийся на границе полупроводниковых областей с электронной (n -область) и дырочной (р -область) проводимостью.

Рис. 1. Схематическое изображение р - n -перехода; чёрные кружки - электроны, светлые - дырки.

Свойства р-п-перехода

Электроны могут перемещаться на более высокие уровни энергии и свободно перемещаться под действием электрического поля. Полупроводники так называются, потому что они являются драйверами на высокотемпературных или довольно плохих проводниках по сравнению с металлами, но они изолированы при очень низких температурах. Эта особенность связана как с кристаллической структурой, так и с характером химической связи, которая их характеризует. Повышение температуры не является единственной причиной, которая делает полупроводниковый материал проводящим.

1. Образуется запирающий слой, образованный зарядами ионов примеси: d=10 -7 м,  = 0.4-0,8 В.

2. Направление внешнего поля (источника) совпадает с направлением контактного поля. Тока основных носителей заряда нет. Существует слабый токнеосновных носителей заряда. Такое включение называется обратным.

Любое возбуждение, обеспечивающее минимальную энергию, необходимую для переноса электронов из валентной зоны в зону проводимости, позволяет проводить проводимость: затем она индуцируется проводимостью. Вышесказанное касалось внутренних полупроводников, т.е. разработанных с высокой степенью чистоты. Добровольное включение чужеродного элемента известной природы и в совершенно определенной пропорции представляет собой легирование полупроводникового материала. влияет на свойства проводимости полупроводника.

В зависимости от химической природы легирующего элемента могут иметь место два случая. Посторонний элемент имеет еще один электрон, чем составной элемент материала, который он заменяет. Замещение приводит к созданию избытка электронных зарядов. Возьмем, к примеру, кремниевый полупроводник. Предположим сначала, что он легирован алюминием. Если он заменяет кристаллографический участок структуры кремния, ему не хватает электрона для обмена четырьмя связями с четырьмя соседями. В результате он оказывается ионизированным отрицательно и что вблизи атома кремния Если материал остается, конечно, электрически нейтральным в целом, давайте теперь предположим, что наш начальный полупроводник легирован фосфором.

3. Прямое включение. Существует ток основных носителей заряда.

p - n -переход пропускает электрический ток только в одном направлении

(свойство односторонней проводимости).

4. Вольт-амперная характеристика идеального р-п- перехода Зависимость тока через электронно-дырочный переход от приложенного к нему напряжения называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ) перехода, график которой представлен на рис. 5.5. Из графика следует, что при положительном смещении, когда ток через переход экспоненциально растет с ростом напряжения, переход обладает высокой проводимостью. При отрицательном смещении, когда обратный ток быстро достигает значения тока насыщения, переход обладает очень низкой проводимостью. При напряжении внешнего источника, равном нулю, ток, протекающий через переход, также равен нулю. Вследствие резко выраженной нелинейности ВАХ р-n -переходы широко используют в качестве ключевых элементов в вентилях различного типа, т. е. в полупроводниковых приборах, имеющих практически два состояния - проводящее (вентиль открыт) и непроводящее (вентиль закрыт).

Рис. 5.5. Вольт-амперная характеристика идеального р-п- перехода Таким образом, изучены физические основы работы полупроводниковых приборов, позволяющие в дальнейшем осознанно изучать устройство и принцип работы конкретных электронных приборов.

6. . Вольт-амперные характеристики германиевого и кремниевого диодов. Полупроводниковым диодом называют электронное устройство с одним электрическим переходом и двумя выводами. Полупроводниковый диод использует свойство электронно-дырочного p-n перехода пропускать ток в одном направлении. К р- и n-областям подключаются (привариваются или припаиваются) металлические выводы. Диод заключается в керамический, металлокерамический, пластмассовый, стеклянный или металлический корпус. Область кристалла, имеющая наибольшую концентрацию примесей, называется эмиттером . Область с меньшей концентрацией называют базой . ВАХ кремниевого диода ВАХ германиевого диода 7. К основным параметрам диодов относят:

максимально допустимый постоянный прямой ток, А;

максимально допустимый импульсный прямой ток, А;

максимально допустимое постоянное обратное напряжение, В;

максимально допустимое импульсное обратное напряжение, В;

обратный ток, протекающий через диод в обратном включении при приложенном к его выводам максимально допустимом постоянном напряжении, мкА;

статическое сопротивление диода в прямом включении, равное отношению падения напряжения на диоде в прямом включении к силе прямого тока, Ом;

статическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению величины обратного напряжения к силе обратного тока, МОм;

динамическое сопротивление диода в прямом включении, составляющее отношение изменения падающего не диоде постоянного напряжения в прямом включении к величине изменения силы прямого тока, Ом;

динамическое сопротивление диода в обратном включении, равное отношению изменения обратного напряжения к изменению величины обратного тока, Ом;

полная ёмкость запертого диода, пФ;

максимально допустимая частота протекающего по диоду переменного тока, Гц, и др.

8. Влияние температуры окружающей среды на ВАХ полупроводникового диода иллюстрирует рисунок 13. При возрастании температуры увеличиваются прямой и обратный токи Рисунок 13 Основными параметрами полупроводникового диода, учитывающими влияние температуры являются: Температурный коэффициент напряжения aᵣ и температура t*, соответствующая изменению обратного тока в “е’’ раз:

9. Барьерная и диффузионная емкости p-n-перехода

При подаче на p-n-переход переменного напряжения проявляются емкостные свойства.Образование p-n-перехода связано с возникновением пространственного заряда, создаваемого неподвижными ионами атомов доноров и акцепторов. Приложенное к p-n-переходу внешнее напряжение изменяет величину пространственного заряда в переходе. Следовательно, p-n переход ведет себя как своеобразный плоский конденсатор, обкладками которого служат области n- и p-типа вне перехода, а изолятором является область пространственного заряда, обедненная носителями заряда и имеющая большое сопротивление.Такая емкость p-n-перехода называется барьерной.

Зависимость барьерной емкости от обратного напряжения называется вольтфарадной характеристикой

(см. рис. 2.6). В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад. Барьерная емкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением rpn .

Кроме барьерной емкости p-n-переход обладает так называемой диффузионной емкостью. Диффузионная емкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области баз.

Величина диффузионной емкости пропорциональна току через p-n-переход. При прямом напряжении значение диффузионной емкости может достигать десятков тысяч пикофарад. Суммарная емкость p-n-перехода определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей. При обратном напряжении CБ > CДИФ; при прямом напряжении преобладает диффузионная емкость CДИФ >> CБ.Рис. 2.7

Эквивалентная схема p-n-перехода на переменном токе представлена на рис. 2.7. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n-перехода rpn включены две емкости CБ и CДИФ; последовательно с rpn включено объемное сопротивление базы rБ. С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n-переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, rpn шунтируется емкостным сопротивлением и общее сопротивление p-n-перехода определяется объемным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n-переход теряет свои нелинейные свойства.

12. Диоды обладают большой надежностью, но граница их пременения от –70 до 125 С. Т.к. у точечного диода площадь соприкосновения очень мала, поэтому токи, которые могут выпремлять такие диоды не больше 10-15 ма. И их используют в основном для модуляции колебаний высокой частоты и для измерительных приборов. Для любого диода существуют некоторые предельно допустимые пределы прямого и обратного тока, зависящих от прямого и обратного напряжения и определяющи его выпремляющие и прочностные св-ва.

Транзисторы, как и диоды, чувствительны к температуре и перегрузке и проникающим излучением. Транзисторы в отличие от радиоламп сгорают от неправильного подключения.