ГЛАВА ДЕВЯТАЯ. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ

9.1. ЭЛЕКТРИЧЕСКИЙ ТОК В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

Электрический ток в полупроводниках имеет более сложную физическую природу, чем ток в металлах. В полупроводниках электрический ток объясняется двумя причинами.

Во-первых, так же как и у металлов, в полупроводниках имеются свободные электроны, движение которых образует электрический ток. Говорят, что полупроводники обладают электронной электропроводностью или электропроводностью -типа. Этот термин происходит от латинского слова «негатив», что означает «отрицательный».

Во-вторых, полупроводники обладают специфической, «дырочной» электропроводностью.

Кристаллическая решетка полупроводниковых материалов образуется атомами, имеющими общие (валентные) электроны (рис. 9.1). Связь этих электронов с атомами достаточно слабая, и при некоторых условиях один из электронов может расстаться со своим постоянным местом в кристаллической решетке и отправиться в путешествие, стать свободным электроном.

Освободившееся место называют дыркой. Атом, потерявший электрон, обладает положительным зарядом, является положительным ионом. Но этот положительный заряд твердо закреплен на своем месте в кристаллической решетке и лишен возможности перемещения. Казалось бы, атом, имеющий дырку, не может участвовать в создании электрического тока. Ток возникает только тогда, когда электрические заряды движутся.

Однако свободное, место может быть занято валентным электроном соседнего атома, который лишится этого электрона и приобретет дырку.

Рис. 9.1. Возникновение пары электрон-дырка в полупроводниковом кристалле

Дырка переместится от одного атома к другому, этот обмен может продолжаться, и дырка станет такой же путешественницей, как и свободные электроны.

Можно задать вопрос: почему мы говорим о движении дырки, а не о движении электронов, которые эти дырки образуют.

Ответ весьма прост. Движения валентных электронов очень ограничены, они переходят от одного атома к другому. Если продолжить нашу аналогию, то в электрическом городе электроны только переезжают в соседний дом, через дорогу, а дырки переходят от соседа к соседу и могут совершать большие путешествия. Подвижность носителей заряда определяет электропроводность материала. Поэтому и говорят о дырочной электропроводности или более коротко — об электропроводности -типа. Этот термин происходит также от латинского слова «позитив» - «положительный».

Для того чтобы усилить или -электропроводность, полупроводники легируют, добавляют небольшие количества примеси.

Рис. 9.2. Принцип работы -перехода: а — потенциальный барьер в -переходе; б — увеличение потенциального барьера под действием обратного на пряжения; в — прямое напряженке уменьшает потенциальный барьер

Примеси, которые создают в полупроводниках электронную электропроводность, называют донорными.

Для создания дырочной электропроводности в полупроводник добавляют акцепторную примесь.

Таким образом удается в одном полупроводнике создать две области с различной электропроводностью ( и -типа).

Между ними существует пограничная область, которую называют -переходом (рис. 9.2).

В -переходе происходит перемещение электрических зарядов. Электроны из -области проникают в -область, а дырки из -области переходят в -область.

Так создается небольшой диффузионный ток. Слово «диффузия» означает «проникновение».

В результате перераспределения зарядов на границе возникает двойной электрический слой (он условно показан на рис. 9.2,а в виде зарядов разного знака). Разноименные заряды создают потенциальный барьер, который препятствует дальнейшему переходу электронов из -области в -область и переходу дырок в обратном направлении. Однако дырки, существующие в -области, свободно преодолевают потенциальный барьер и могут перейти в -область, аналогично электроны из -области свободно перемещаются в -область. Это движение зарядов создает небольшой дрейфовый ток. В установившемся режиме дрейфовый ток компенсируется диффузионным током и результирующий ток через границу -перехода равен нулю.

Приложим к -переходу внешнее напряжение, полярность которого показана на рис. 9.2, б.

Положительный зажим источника подключен к -области, а отрицательный — к -области. Такое подключение источника напряжения называют обратным. Под действием внешнего электрического поля носители электрического заряда — электроны и дырки — перемещаются от границы -перехода к электродам, подключающим полупроводник к внешней цепи. Ширина двойного электрического слоя увеличивается, потенциальный барьер возрастает. Возникает существенное препятствие, которое носители заряда не могут преодолеть. Кроме того, увеличившийся двойной электрический слой обладает очень большим электрическим сопротивлением. В результате электрический ток в цепи (обратный ток) имеет очень маленькое значение. По мере роста напряжения обратный ток возрастает, но затем его значение стабилизируется и практически не зависит от величины приложенного напряжения.

Поменяем полярность источника внешнего напряжения и подключим его плюсом к -области полупроводника (рис. 9.2, в). Мы получим прямое подключение источника. В этом случае электроны и дырки перемещаются к границе р-n-перехода и компенсируют разноименные заряды, которые образуют двойной электрический слой. Потенциальный барьер уменьшается. В результате в полупроводнике устанавливается прямой ток, который во много тысяч раз превосходит ток обратного направления. Можно считать, что -переход обладает ярко выраженными нелинейными свойствами: очень малым сопротивлением в прямом направлении и очень большим сопротивлением в обратном.