Полупроводники. Строение полупроводников и принцип их действия

1)Полупроводник — это материал, который по своей удельной проводимости занимает промежуточное место между проводником и диэлектриком и отличается от проводника сильной зависимостью удельной проводимости от концентрации примесей, температуры и различных видов излучения. Полупроводниками являются вещества, ширина запрещённой зоны которых составляет порядка нескольких эВ (электрон-вольт), то есть соизмерима с kT. Например, алмаз можно отнести к широкозонным полупроводникам, а InAs — к узкозонным.

Полупроводник – это вещества, удельная электрическая проводимость которых меньше, чем у металлов и больше, чем у диэлектриков.

Полупроводник – это широкий  класс веществ, характеризующийся  значениями удельной электропроводности d, лежащей в диапазоне между  удельной электропроводностью металлов и хороших диэлектриков, то есть эти вещества не могут быть отнесены как к диэлектрикам (так как  не являются хорошими изоляторами), так  и к металлам (не являются хорошими проводниками электрического тока). К  полупроводникам, например, относят  такие вещества как германий, кремний, selenium, теллур, а также некоторые  оксиды, сульфиды и сплавы металлов.

Полупроводники долгое время  не привлекали особого внимания ученых и инженеров. Одним из первых начал  систематические исследования физических свойств полупроводников выдающийся советский физик Абрам Федорович  Иоффе. Он выяснил что полупроводники - особый класс кристаллов со многими  замечательными свойствами.

1. С повышением температуры  удельное сопротивление полупроводников  уменьшается, в отличие от металлов, у которых удельное сопротивление  с повышением температуры увеличивается. 

2. Свойство односторонней  проводимости контакта двух полупроводников.  Именно это свойство используется  при создании разнообразных полупроводниковых  приборов: диодов, транзисторов, тиристоров  и др.

  3. Контакты различных полупроводников в определенных условиях при освещении или нагревании являются источниками фото - э. д. с. или, соответственно, термо - э. д. с.

 

 

2) Строение полупроводников и принцип их действия.

  Как было уже сказано, полупроводники представляют собой особый класс кристаллов. Валентные электроны образуют правильные ковалентные связи. Такой идеальный полупроводник совершенно не проводит электрического тока (при отсутствии освещения и радиационного облучения) .

Так же как и в непроводниках  электроны в полупроводниках  связаны с атомами, однако данная связь очень непрочная. При повышении  температуры  ( T>0 K), освещении или  облучении электронные связи  могут разрываться, что приведет к отрыву электрона от атома. Такой  электрон является носителем тока. Чем выше температура полупроводника, тем выше концентрация электронов проводимости, следовательно, тем меньше удельное сопротивление. Таким образом, уменьшение сопротивления полупроводников  при нагревании обусловлено увеличением  концентрации носителей тока в нем.

В отличии от проводников  носителями тока в полупроводниковых  веществах могут быть не только электроны , но и «дырки» . При потере электрона  одним из атомов полупроводника на его орбите остается пустое место-«дырка»  при воздействии электрическим  поле на кристалл «дырка » как положительный  заряд перемещается в сторону  вектора E, что фактически происходит благодаря разрыву одних связей и восстановление других. «Дырку»  условно можно считать частицей, несущей положительный заряд.

Механизм проведения электрического тока полупроводниками

 Электропроводность полупроводников: - обеспечивается свободными электронами и дырками;  - остается постоянной в пределах области температур, специфической для каждого вида полупроводников, и увеличивается с повышением температуры;  - зависит от примесей;  - увеличивается под действием света и с возрастанием напряженности электрического поля.

 В зависимости от того, отдаёт ли атом примеси электрон или захватывает его, примесные атомы называют донорными или акцепторными. Характер примеси может меняться в зависимости от того, какой атом кристаллической решётки она замещает, в какую кристаллографическую плоскость встраивается.

 

Проводимость полупроводников  сильно зависит от температуры. Вблизи абсолютного нуля температуры полупроводники имеют свойства изоляторов.

 Полупроводники характеризуются как свойствами проводников, так и диэлектриков. Так как, образуя кристаллы, атомы полупроводников устанавливают ковалентные связи (то есть, один электрон в кристалле кремния, как и алмаза, связан двумя атомами), электронам необходим уровень внутренней энергии для высвобождения из атома (1, 76*10-19Дж против 11, 2*10-19Дж, чем и характеризуется отличие между полупроводниками и диэлектриками). Эта энергия появляется в них при повышении температуры (например, при комнатной температуре уровень энергии теплового движения атомов равняется 0, 4*10-19Дж), и отдельные атомы получают энергию для отрыва электрона от атома. В процессе повышения температуры количество свободных электронов возрастает - удельное сопротивление падает. Условно принято считать полупроводниками элементы с энергией связи электронов меньшей чем 1, 5 - 2 эВ.

 Во время разрыва связи между электроном и ядром появляется свободное место в электронной оболочке атома. Это обуславливает переход электрона с другого атома на атом со свободным местом. На атом, откуда перешел электрон, входит другой электрон из другого атома и т. д. Это обуславливается ковалентными связями атомов. Таким образом, происходит перемещение позитивно заряженного атома без перемещения самого атома. Этот процесс назвали "дыркой".

3) Виды полупроводников

 По характеру проводимости

 - Собственная проводимость

 Полупроводники, в которых свободные электроны и "дырки" появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации "дырок".

 - Примесная проводимость

 

Для создания полупроводниковых  механизмов используют кристаллы с  примесной проводимостью. Такие  кристаллы изготовляются с помощью  внесения смесей с атомами трехвалентного или пятивалентного химического  элемента.

По виду проводимости

- Электронные полупроводники (n-типа)

Этот вид полупроводников  имеет примесную природу. В четырехвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют  примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную  связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка  нет места в насыщенных валентных  связях, и он переходит на дальнюю  электронную оболочку. Там для  отрыва электрона от атома нужно  меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический  ток подобно металлам. Примеси, которые  добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

 - "Дырочные полупроводники (р-типа)"

 Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырехвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвертым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники p-типа, называются акцепторными.

4) Электрические свойства "p-n" перехода

"p-n" переход (или  электронно-дырочный переход) - область  контакта двух полупроводников,  где происходит смена проводимости  с электронной на дырочную (или  наоборот).

 

В кристалле полупроводника введением примесей можно создать  такие области. В зоне контакта двух полупроводников с различными проводимостями будет проходить взаимная диффузия. электронов и дырок и образуется запирающий электрический слой.Электрическое  поле запирающего слоя препятствует дальнейшему переходу электронов и  дырок через границу. Запирающий слой имеет повышенное сопротивление  по сравнению с другими областями  полупроводника.

Внешнее электрическое поле влияет на сопротивление запирающего  слоя.

При прямом (пропускном) направлении  внешнего эл.поля эл.ток проходит через  границу двух полупроводников.

Т.к. электроны и дырки  движутся навстречу друг другу к  границе раздела, то электроны, переходя границу, заполняют дырки. Толщина  запирающего слоя и его сопротивление  непрерывно уменьшаются.

Пропускной режим р-n перехода:

При запирающем (обратном) направлении  внешнего электрического поля электрический  ток через область контакта двух полупроводников проходить не будет.

Т.к. электроны и дырки  перемещаются от границы в противоположные  стороны, то запирающий слой утолщается, его сопротивление увеличивается.

Запирающий режим р-n перехода:

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает односторонней  проводимостью.

5) ВАХ реального полупроводникового диода

на практике, в силу своей  полупроводниковой структуры, настоящий  диод обладает рядом недостатков  и ограничений по сравнению с  идеальным диодом. Это можно увидеть  на графике,

Vϒ(гамма) - напряжение порога  проводимости

 При прямом включении  напряжение на диоде должно  достигнуть определенного порогового  значения - Vϒ. Это напряжение, при  котором PN-переход в полупроводнике  открывается достаточно, чтобы диод  начал хорошо проводить ток.  До того как напряжение между  анодом и катодом достигнет этого значения, диод является очень плохим проводником. Vϒ у кремниевых приборов примерно 0.7V, у германиевых – около 0.3V.

ID_MAX- максимальный ток  через диод при прямом включении

При прямом включении полупроводниковый  диод способен выдержать ограниченную силу тока ID_MAX. Когда ток через  прибор превышает этот предел, диод перегревается. В результате разрушается  кристаллическая структура полупроводника, и прибор становится непригодным. Величина данной силы тока сильно колеблется в  зависимости от разных типов диодов и их производителей.

IOP – обратный ток утечки

 При обратном включении  диод не является абсолютным  изолятором и имеет конечное  сопротивление, хоть и очень  высокое. Это служит причиной  образования тока утечки или  обратного тока IOP. Ток утечки  у германиевых приборов достигает  до 200 µА, у кремниевых до нескольких  десятков nА. Самые последние высококачественные  кремниевые диоды с предельно  низким обратным током имеют  этот показатель около 0.5 nA.

PIV(Peak Inverse Voltage) - Напряжение пробоя

 При обратном включении диод способен выдерживать ограниченное напряжение – напряжение пробоя PIV. Если внешняя разность потенциалов превышает это значение, диод резко понижает свое сопротивление и превращается в проводник. Такой эффект нежелательный, так как диод должен быть хорошим проводником только при прямом включении. Величина напряжения пробоя колеблется в зависимости от разных типов диодов и их производителей.

Паразитическая емкость PN-перехода

 Даже если на диод  подать напряжение значительно  выше Vϒ, он не начнет мгновенно  проводить ток. Причиной этому  является паразитическая емкость  PN перехода, на наполнение которой  требуется определенное время.  Это сказывается на частотных  характеристиках прибора. 

Приближенные модели диодов

 В большинстве случаев,  для расчетов в электронных  схемах, не используют точную  модель диода со всеми его  характеристиками. Нелинейность этой  функции слишком усложняет задачу. Предпочитают использовать, так называемые, приближенные модели.

6) Полупроводниковый диод — это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя выводами, в котором используется то или иное свойство электрического перехода (незначительная коррекция данного определения может понадобиться лишь для очень узкого круга приборов, например, для некоторых диодов СВЧ и прецизионных стабилитронов).

К противоположным областям выпрямляющего электрического перехода привариваются или припаиваются металлические выводы, и вся система  заключается в металлический, металлокерамический, стеклянный или пластмассовый корпус. Область полупроводникового кристалла  диода, имеющая более высокую  концентрацию примесей (следовательно, и основных носителей заряда), называется эмиттером, а другая, с меньшей  концентрацией, — базой. По аналогии с электровакуумными диодами, ту сторону диода, к которой при  прямом включении подключается отрицательный  полюс источника питания, часто  называют катодом, а другую — анодом.

В зависимости от области  применения полупроводниковые диоды  делят на следующие основные группы:

•выпрямительные,

•универсальные,

•импульсные,

•сверхвысокочастотные,

•стабилитроны,

•варикапы,

•туннельные,

•обращенные,

•фотодиоды,

•светоизлучающие диоды,

•генераторы шума,

•магнитодиоды.

По конструктивному исполнению полупроводниковые диоды делятся  на плоскостные и точечные, а по технологии изготовления на сплавные, диффузионные и эпитаксиальные (следует  понимать, что существует множество  разных подвидов этих технологий). В  плоскостных диодах электрический  переход имеет линейные размеры  значительно большие толщины  самого перехода. К точечным относят  диоды, у которых размеры электрического перехода, определяющие его площадь, меньше толщины области объемного  заряда. Такой диод образуется, например, в месте контакта небольшой пластины полупроводника и острия металлической  пружины (точечно-контактные диоды).

В технологии изготовления диодов определяющей является методика внесения примесей в полупроводник, а также способ соединения кристалла  полупроводника с металлическими контактами. Существует большое количество возможных  форм исполнения самых разнообразных  переходов, которые обладают множеством разнообразных свойств. Эти свойства могут использоваться для создания полупроводниковых диодов различного принципа действия и конструкции. Многие из таких диодов имеют свои исторически-сложившиеся  названия, которые могут характеризовать  конструкцию диода, физический эффект, определяющий характеристики диода, и  т.д. (лавинно-пролетные диоды, туннельные диоды, диоды Шоттки, диоды Ганна, варакторы, диоды с накоплением  заряда, ...).Часто эти группы диодов отличаются областью применения и/или  маркировкой.