Полупроводники n типа
Внесение в полупроводник примесей существенно влияет на поведение электронов и энергоуровни спектра кристалла. Валентные электроны примесных атомов создают энергетические уровни в запрещенной зоне спектра. К примеру, если в решетке германия один атом замещен пятивалентным атомом фтора, то энергия дополнительного электрона станет меньше, чем энергия, которая соответствует нижней границе зоны проводимости. Энергетические уровни подобных примесных электронов находятся ниже дна зоны проводимости. Эти уровни заполненные электронами называют донорными. Для перевода электронов с донорных уровней в зону проводимости необходима энергия меньше, чем у чистого полупроводника. После того как электроны переброшены в зону проводимости с донорных уровней, говорят, что в полупроводнике появилась проводимость n-типа. Полупроводники с донорной примесью называют электронными (донорными) или полупроводниками n-типа (negative - отрицательный). Электроны в полупроводниках n -- типа служат как основные носители заряда, дырки -- неосновными. Энергетическая диаграмма такого полупроводника изображена на рис.1.
Полупроводники p типа
В полупроводнике, который содержит акцепторную примесь, электроны довольно легко переходят из валентной зоны на акцепторные уровни. В такой ситуации в валентной зоне появляются свободные дырки. Число дырок в данном случае существенно больше, чем свободных электронов, которые образовались при переходе из валентной зоны в зону проводимости. В данной ситуации дырки -- основные носители заряда, электроны -- неосновные. Проводимость полупроводника, который включает акцепторную примесь, носит дырочный характер, сам проводник при этом называется дырочным (акцепторным) или полупроводником p-типа (positive - положительный). Энергетическая диаграмма полупроводника p-типа приведена на рис.2.
Рисунок 1.
Рисунок 2.
p-n переход
p-n переход создают в естественном полупроводнике легированием донорными и акцепторными примесями по разные стороны от границы раздела. При этом область, в которую вводились донорные примеси становится n-областью с электронной проводимостью, область в которую ввели акцепторные примеси - p-областью с преимущественной дырочной проводимостью.
Так как в n- области концентрация электронов больше (в сравнении с концентрацией дырок), а в p- области наоборот, то электроны диффундируют из n- области, в p- область, а дырки в обратном направлении. В результате в n- области возникает положительный заряд, а в p- области отрицательный Появляющаяся таким образом, разность потенциалов и электрическое поле пытаются замедлить диффузию положительных и отрицательных зарядов. При некотором напряжении возникает равновесие. Так как заряд электрона меньше нуля, то рост потенциала ведет к уменьшению потенциальной энергии электронов и росту потенциальной энергии дырок. Как следствие роста потенциала n- области потенциальная энергия электронов в этой области уменьшается, а в p- области увеличивается. С потенциальной энергией дырок дело обстоит наоборот. Характер изменения электрического потенциала совпадает с характером изменения потенциальной энергии дырок.
Итак, возникает потенциальный барьер, который противостоит потоку диффузии электронов и дырок со стороны перехода с их большей концентрацией, то есть напору электронов со стороны n- области и напору дырок из p- области. Этот потенциальный барьер растет до величины, при которой появляющееся на переходе электрическое поле порождает такие токи из носителей заряда, которые полностью компенсируют диффузионные потоки. Так достигается стационарное состояние.
Электроны и дырки в зоне проводимости полупроводников имеют конечное время жизни. Дырки, которые попали из p- области в n- область диффундируют в ней в течение некоторого времени, а затем аннигилируются с электронами. Так же ведут себя электроны, которые попали из n- области в p- область. Следовательно, концентрация избыточных дырок в n- области и концентрация электронов в p- области уменьшается (по экспоненте) при удалении от границы перехода.
[Примечание] Обычно энергия Ферми p и n- областей полупроводников отличается примерно на 1эВ. Значит, разность потенциалов, которая появляется на переходе и выравнивает энергии Ферми по разные стороны перехода, имеет величину порядка 1В.
[/Примечание]
Электрический ток, через p-n переход
Допустим, что напряжение приложено так, что у n- области потенциал имеет знак минус, со стороны p- области -- плюс. Потенциальный барьер в таком случае, для основных носителей тока уменьшатся. Следовательно, сила тока основных носителей растет. Сила тока неосновных носителей почти не изменяется, так как диффузионный ток определен концентрацией носителей заряда и не зависит от приложенной разности потенциалов.
Если внешнее напряжение приложено так, что у n- области потенциал больше нуля, а со стороны p- области меньше нуля, то для основных носителей тока потенциальные барьеры увеличиваются. Тогда ток основных носителей почти равен 0. Ток неосновных носителей не изменяется. Если ток в направлении от n- области к p-области не течет, то такое направление называют запорным. Обратное направление называют проходным.
Переход металл -- полупроводник имеет способность пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом. Причем, полупроводник может быть любого типа. Это явление связано с тем, что любой полупроводник по отношению к металлу очень беден свободными электронами. В случае перехода металл -- проводник, проходным направлением будет направление от полупроводника к металлу.
p-n переход действует как диод, так как имеет одностороннюю проводимость. Наиболее часто применяемыми материалами для создания p-n переходов служат германий и кремний. У германия концентрация основных носителей больше, чем у кремния, больше их подвижность. Из-за этого проводимость p-n переходов в германии в проходном направлении существенно больше, чем у кремния, но соответственно больше обратный ток. Кремний же можно использовать в широком спектре температур.
Задание: Вольт -- амперная характеристика для p-n перехода в кремний изображена на рис. 3. p-n перехода для германия на рис. 4. Сравните их, объясните различия.
Рисунок 3.
Рисунок 4.
Решение:
Вольтамперная характеристика p-n перехода показывает, переход имеет одностороннюю проводимость, а именно проводит ток в направлении из области p в область n. (Положительные значения напряжение U соответствуют изменению потенциала на переходе от p области к n области).
Возможной причиной отличий вольтамперной характеристики кремния (рис.3) от вольт -- амперной характеристики германия служит низкая концентрация неосновных носителей в кремнии. Получается при небольших приложенных напряжениях плотность тока (j) неосновных носителей очень мала и только при U=0,6B сила тока начинает расти по экспоненте (у германия это происходит при U=0 B).
Задание: Что такое туннельный эффект?
Решение:
При большой концентрации атомов примеси в полупроводниках происходит расширение примесных уровней. Уровни перекрывают границу между зонами. Как результат -- уровень Ферми попадает внутрь либо проводящей, либо валентной зоны. При отсутствии внешнего напряжения энергии Ферми по разные стороны перехода одинаковы. При сильном легировании переход становится узким, концентрация неосновных носителей мала.
Если приложить внешнее напряжение в проходном направлении, то появляется небольшой диодный ток. Но, так как по разные стороны перехода, который делится потенциальным барьером энергии носителей равны, возникает так называемый туннельный эффект Носители проходят через потенциальный барьер без изменения энергии. Из-за этого через потенциальный барьер течет значительный ток. При увеличении напряжения энергия электронов в n-области растет, в p --области уменьшатся, при этом область перекрытия примесных уровней становится меньше. Как следствие, уменьшается сила тока. (Максимум тока достигается, когда зоны перекрывают друг друга наибольшим образом). В тот момент, когда примесные зоны сдвигаются относительно друг друга настолько, что каждой из них на другой стороне перехода противостоит запрещенная зона, туннелированние прекращается. При этом сила тока через переход уменьшается. При высоких напряжениях зоны проводимости n и p областей оказываются на одном уровне, возникает обычный диодный ток. Сила тока снова растет. В интервале от первого максимума тока до следующего за ним минимума туннельный диод проявляет эффект отрицательного сопротивления, когда увеличение напряжения ведет к уменьшению силы тока. Рис.5 Вольт -- амперная характеристика туннельного диода.
Рисунок 5.
