ДОНОРНІ ТА АКЦЕПТОРНІ ДОМІШКИ. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ ЧЕРЕЗ р-n-ПЕРЕХІД
ЕЛЕКТРОДИНАМІКИ
Розділ 1 Електричне поле і струм
§ 10. ДОНОРНІ ТА АКЦЕПТОРНІ ДОМІШКИ. ЕЛЕКТРИЧНИЙ СТРУМ ЧЕРЕЗ р – N – ПЕРЕХІД
Власна провідність напівпровідників звичайно невелика, оскільки в них мало вільних електронів (наприклад, у германію при кімнатній температурі ne = 3 – 1013 см-3). Водночас кількість атомів у 1 см3 германію – порядку 1023. Отже, кількість вільних електронів становить приблизно одну десятимільярдну частку загальної кількості атомів. Власна провідність напівпровідників багато в чому подібна до провідності
Істотна особливість напівпровідників полягає в тому, що в них при наявності домішок, крім власної провідності, виникає додаткова – домішкова провідність. Змінюючи концентрацію домішки, можна змінювати кількість носіїв заряду того чи іншого знака. Завдяки цьому створюються напівпровідники з переважною концентрацією – або негативно,
Виявляється, що коли є домішки, наприклад атомів Арсену, навіть якщо їх концентрація дуже мала, то кількість вільних електронів зростає в багато разів. Відбувається це з такої причини. Атоми Арсену мають п’ять валентних електронів. Чотири з них беруть участь у створенні хімічного (ковалентного) зв’язку даного атома з навколишніми атомами, наприклад з атомами Силіцію. П’ятий валентний електрон виявляється слабо зв’язаним з атомом. Він легко залишає атом Арсену і стає вільним (мал. 36).
При додаванні однієї десятимільйонної частки атомів Арсену концентрація вільних електронів дорівнюватиме 1016 см-3. Це в тисячу разів більше за концентрацію вільних електронів у чистому напівпровіднику. Домішки, які легко віддають електрони і, отже, збільшують кількість вільних електронів, називають донорними домішками
Оскільки унапівпровідників з донорною домішкою багато електронів (порівняно з кількістю дірок), їх називають напівпровідниками “типу (з лат. negativ – негативний). У напівпровіднику л-типу електрони – основні носії заряду, а дірки – неосновні.
Якщо як домішку використати індій, атоми якого тривалентні, то характер провідності напівпровідника зміниться. Тепер для встановлення нормальних парноелектронних зв’язків із сусідами атома Індію не вистачає електрона. Внаслідок цього утворюється дірка. Кількість дірок у кристалі дорівнюватиме кількості атомів домішки (мал. 37). Такі домішки називають акцепторними.
Якщо існує електричне поле, то дірки переміщуються по полю і виникає діркова провідність. Напівпровідники з переважанням діркової провідності над електронною називають напівпровідниками р-типу (з лат. positiv – позитивний).
Мал. 37
Дірки – основні носії заряду в напівпровіднику p-типу, а електрони – неосновні. Будемо розглядати напівпровідник (мал. 38), права частина якого містить донорні домішки, в цьому випадку він є напівпровідником га-типу, а ліва – акцепторні, домішки, тоді він є напівпровідником р-типу. Контакт двох напівпровідників називають р-п-переходом.
При утворенні контакту електрони частково переходять з напівпровідника л-типу в провідник р-типу, а дірки – у зворотному напрямі. Відбувається процес дифузії, такий самий, як і під час зіткнення двох різних газів, молекули яких переміщуються внаслідок теплового руху. Таким чином, напівпровідник л-типу заряджається позитивно, ар-типу – негативно. Дифузія припиняється після того, як електричне поле, що виникає в зоні переходу, перешкоджає подальшому переміщенню електронів і дірок.
Увімкнемо напівпровідник зр – п-переходом в електричне коло (мал. 39). Спочатку приєднаємо батарею так, щоб потенціал напівпровідника р-типу був позитивним, а ті-типу – негативним. При цьому струм черезр – п-перехід передаватиметься основними носіями: з ділянки п у ділянкур електронами, а з ділянки р у ділянку п дірками (мал. 40). Внаслідок цього провідність усього зразка буде великою, а опір малим.
Розглянутий перехід називають прямим. Залежність сили струму від різниці потенціалів – вольт-амперну характеристику прямого переходу – зображено на мал. 41 суцільною лінією. Перемкнемо полюси батареї. В цьому разі при такій самій різниці потенціалів сила струму
Мал. 38
Мал. 39
Мал. 40
Мал. 41
Мал. 42
В колі буде значно меншою, ніж при прямому переході. Це зумовлено тим, що електрони через контакт переходять з ділянки р у ділянку п, а дірки – з ділянки п у ділянку р. Проте у напівпровіднику р-типу мало вільних електронів, а в напівпровіднику п-типу мало дірок. Таким чином, через контакт переходять неосновні носії, а їх незначна кількість (мал. 42). Внаслідок цього провідність зразка буде малою, а опір великим. Утворюється так званий запірний шар. Цей перехід називають зворотним. Вольт-амперну характеристику зворотного переходу зображено на мал. 41 штриховою лінією. Отже, р-п-перехід щодо струму несиметричний: у прямому напрямі опір переходу значно менший, ніж у зворотному.
Цю властивість р-п-переходу використовують для випрямлення змінного струму. Протягом половини періоду, коли потенціал напівпровідникар-типу додатний, струм вільно проходить через р-“перехід. У наступну половину періоду струм практично дорівнює нулю.
(1 votes, average: 5.00 out of 5)
Loading...