Изучение электронно-дырочного перехода. Фетисов И.Н. - 2 стр.

                                             2

                                        ВВЕДЕНИЕ

   Область полупроводника, в которой имеется пространственное изменение типа
проводимости от электронной (n-типа) к дырочной (p-типа) называется электронно-дырочным
переходом (ЭДП), или р-n-переходом. ЭДП составляет основу многих полупроводниковых
приборов - диодов, транзисторов, солнечных батарей и т.д.

   Цель работы - ознакомление с физическими процессами в ЭДП, изучение вольтамперных
характеристик диодов из германия и кремния и их зависимости от ширины запрещенной зоны
полупроводника и температуры, определение ширины запрещенной зоны германия, изучение р-n
перехода как приемника света (фотодиода).

                         ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ В ПОЛУПРОВОДНИКАХ

    В твердом теле атомы находятся друг от друга на расстоянии порядка атомного размера,
поэтому в нем валентные электроны могут переходить от одного атома к другому. Однако этот
процесс не приводит непосредственно к электропроводности, так как в целом распределение
электронной плотности жестко фиксировано, Например, в германии и кремнии два электрона
осуществляют ковалентную связь между двумя соседними атомами в кристалле. Чтобы создать
проводимость, необходимо разорвать хотя бы одну из связей, удалить с нее электрон и
перенести его в какую-либо другую ячейку кристалла, где все связи заполнены, и этот электрон
будет лишним. Такой электрон в дальнейшем переходит из ячейки в ячейку. Являясь лишним, он
переносит с собой излишний отрицательный заряд, т.е. становится электроном проводимости.
    Разорванная связь становится блуждающей по кристаллу дыркой, поскольку электрон
соседней связи быстро занимает место ушедшего. Недостаток электрона у одной из связей
означает наличие у пары атомов единичного положительного заряда, который переносится
вместе с дыркой. Электроны и дырки - свободные носители заряда в полупроводниках. В
идеальных кристаллах, не имеющих ни примесей, ни дефектов, возбуждение одного из связанных
электронов и превращение его в электрон проводимости неизбежно вызывает появление дырки,
так что концентрации обоих типов носителей равны между собой.
    Для образования электронно-дырочной пары необходимо затратить энергию, превышающую
ширину запрещенной зоны Еg ,- например, для германия Еg = 0,66 эВ, для кремния Еg = 1,11 эВ
(электронвольт равен 1,6-10Дж). Разрыв электронной связи может происходить за счет тепловой
энергии колебаний атомов в кристалле, энергии электромагнитного излучения или быстрых
заряженных частиц.
    С помощью примесей можно целенаправленно изменять тип и значение проводимости
полупроводников. Примеси бывают донорные и акцепторные.
    Донорные атомы легко отдают электрон, создавая проводимость n-типа. Для германия и
кремния, валентность которых равна четырем, донорами является фосфор, мышьяк и другие
атомы с пятью валентными электронами. Такой примесный атом замещает атом германия. При
этом четыре из пяти его валентных электронов образуют с четырьмя соседними атомами германия
ковалентные связи, а пятый электрон легко отрывается за счет энергии колебаний атомов. При
комнатной температуре практически все примесные атомы ионизированы, т.е. в полупроводнике
появляются электроны проводимости с концентрацией, зависящей от концентрации примеси.
Донорные атомы не образуют дырок, а сами после потери электрона превращаются в
положительные ионы, не способные перемещаться по кристаллу. При определенном количестве
донорной примеси электронов проводимости будет много больше, чем дырок. В этом
полупроводнике (n-типа) электроны основные носители, а дырки - не основные.
    Трехвалентные атомы примеси (бор, алюминий и др.) являются акцепторами. Легко захватывая
один из валентных электронов германия, они образуют четыре ковалентные связи с ближайшими
атомами германия. В месте, из которого "ушел" захваченный электрон, образуется дырка.
Примесный атом, захвативший лишний электрон, прев- ращается в отрицательный ион.