ВУЗ:
Составители:
Рубрика:
36
Примером полупроводников с проводимостью иного типа может
служить тот же кристалл германия, но с примесью бора. Атом бора
трехвалентен . Вследствие структуры кристаллической решетки германия,
обусловленной четырьмя валентными связями, атом бора захватывает один
электрон у соседнего атома германия. Последний , в свою очередь,может
захватить электрон у другого атома германия и т .д . Такое последовательное
“перескакивание ” электронов, очевидно, эквивалентно движению в
противоположную сторону положительного заряда, равного по величине заряду
электрона. Дело обстоит так, будто перемещается “место электрона” –
положительно заряженная “дырка”. Полупроводники, проводимость которых
вызывается наличием “дырок” ( “дырочная ” проводимость), называются
полупроводниками p-типа. Примесные атомы, валентность которых меньше
валентности атомов кристалла, называются акцепторными (акцепторами), т .к.
они захватывают электроны. С точки зрения зонной теории, первые свободные
энергетические уровни примесных атомов лежат в запрещенной зоне
полупроводника вблизи верхнего края заполненной (валентной ) зоны
(пунктирный уровень рис.2б). Электроны из валентной зоны, попадая на эти
уровни, дают возможность оставшимся электронам поочередно изменять свою
энергию на малое значение, что и обуславливает дырочную проводимость.
В практическом отношении важно рассмотреть, какие явления
происходят в зоне контакта двух полупроводников различного типа
проводимости – электронного ( n ) и дырочного ( p ). Так как в первом из них
велика концентрация свободных электронов , а во втором – дырок , то через
поверхность соприкосновения полупроводников происходит диффузия
свободных электронов из электронного полупроводника в дырочный ( n – p ) и
диффузия дырок в противоположном направлении ( p – n ) . Следует отметить ,
что перемещение дырок в направлении p – n означает в действительности
перемещение связанных электронов в направлении n – p . В результате
пограничный слой со стороны p – полупроводника заряжается отрицательно , а
со стороны n – полупроводника – положительно , т .е. в зоне контакта
образуется “ двойной электрический слой ” с разностью потенциалов U
к
(
рис.3а ) . Эта контактная разность потенциалов U
к
препятствует дальнейшей
диффузии , т .е. переходу электронов направо через контакт , а дырок – налево
через контакт . И только очень редкие электроны и дырки , обладающие
большой энергией , могут проникать через этот барьер. Около контакта
создается слой , обедненный основными носителями и поэтому обладающий
повышенным сопротивлением. Такой слой называется запирающим слоем .
Если теперь к имеющейся системе подключить внешнюю батарею с
напряжением U , то в зависимости от полярности ее включения ток во внешней
цепи будет резко изменяться . В одном случае поле от внешнего источника
будет усиливать поле от собственной контактной разности потенциалов и еще
более препятствовать прохождению основных носителей через контакт (рис.3б)
. Однако ток во внешней цепи все -таки будет наблюдаться . Он обусловлен
прохождением через контакт неосновных носителей , для которых собственное
и приложенное электрические поля является ускоряющими. Этот ток носит
название обратного тока I
обр
и его величина практически очень мала .
36
Приме ром полупровод н иков с провод имост ью ин ого т ипа може т
служит ь т от же крист алл ге рман ия, н о с приме сью бора. Ат ом бора
т ре хвале н т е н . Всле д ст вие ст рукт уры крист аллич е ской ре ше т ки ге рман ия,
обусловле н н ой ч е т ы рьмя вале н т н ы ми связями, ат ом бора захват ы вае т од ин
эле кт рон у сосе д н е го ат ома ге рман ия. После д н ий , в свою оч е ре д ь,може т
захват ит ь эле кт рон у д ругого ат ома ге рман ия и т .д . Такое после д оват е льн ое
“пе ре скакиван ие ” эле кт рон ов, оч е вид н о, эквивале н т н о д виже н ию в
прот ивоположн ую ст орон у положит е льн огозаряд а, равн огопове лич ин е заряд у
эле кт рон а. Де ло обст оит т ак, буд т о пе ре ме щае т ся “ме ст о эле кт рон а” –
положит е льн о заряже н н ая “д ы рка”. Полупровод н ики, провод имост ь кот оры х
вы зы вае т ся н алич ие м “д ы рок” ( “д ы роч н ая ” провод имост ь), н азы ваю т ся
полупровод н иками p-т ипа. Приме сн ы е ат омы , вале н т н ост ь кот оры х ме н ьше
вале н т н ост и ат омов крист алла, н азы ваю т ся акце пт орн ы ми (акце пт орами), т .к.
он и захват ы ваю т эле кт рон ы . С т оч ки зре н ия зон н ой т е ории, пе рвы е свобод н ы е
эн е рге т ич е ские уровн и приме сн ы х ат омов ле жат в запре ще н н ой зон е
полупровод н ика вблизи ве рхн е го края заполн е н н ой (вале н т н ой ) зон ы
(пун кт ирн ы й урове н ь рис.2б). Э ле кт рон ы из вале н т н ой зон ы , попад ая н а эт и
уровн и, д аю т возможн ост ь ост авшимсяэле кт рон ам пооч е ре д н оизме н ят ь свою
эн е ргию н а малое зн ач ен ие , ч т ои обуславливае т д ы роч н ую провод имост ь.
В практ ич е ском от н оше н ии важн о рассмот ре т ь, какие явлен ия
происход ят в зон е кон т акт а д вух полупровод н иков различ н ого т ипа
провод имост и – эле кт рон н ого( n ) и д ы роч н ого( p ). Так как в пе рвом из н их
ве лика кон це н т рация свобод н ы х эле кт рон ов , а во вт ором – д ы рок , т о ч е ре з
пове рхн ост ь соприкосн ове н ия полупровод н иков происход ит д иф ф узия
свобод н ы х эле кт рон овиз эле кт рон н огополупровод н ика вд ы роч н ы й ( n – p ) и
д иф ф узияд ы рок в прот ивоположн ом н аправле н ии ( p – n ) . С ле д уе т от ме т ит ь ,
ч т о пе ре ме ще н ие д ы рок в н аправле н ии p – n озн ач ае т в д е й ст вит е льн ост и
пе ре ме ще н ие связан н ы х эле кт рон ов в н аправле н ии n – p . В ре зульт ат е
погран ич н ы й слой сост орон ы p – полупровод н ика заряжае т сяот рицат е льн о, а
со ст орон ы n – полупровод н ика – положит е льн о , т .е . в зон е кон т акт а
образуе т ся “ д вой н ой эле кт рич е ский слой ” с разн ост ью пот е н циалов Uк (
рис.3а ) . Э т а кон т акт н ая разн ост ь пот е н циалов Uк пре пят ст вуе т д альн е й ше й
д иф ф узии , т .е . пе ре ход у эле кт рон ов н аправоч ере з кон т акт , а д ы рок – н але во
ч е ре з кон т акт . И т олько оч е н ь ре д кие эле кт рон ы и д ы рки , облад аю щие
большой эн е ргие й , могут прон икат ь ч е ре з эт от барье р. Около кон т акт а
созд ае т ся слой , обед н е н н ы й осн овн ы ми н осит е лями и поэт ому облад аю щий
повы ше н н ы м сопрот ивлен ие м. Такой слой н азы вае т ся запираю щим слое м .
Е сли т е пе рь к име ю ще й ся сист е ме под клю ч ит ь вн е шн ю ю бат аре ю с
н апряже н ие м U , т овзависимост и от полярн ост и е е вклю ч е н ият ок вовн е шн е й
це пи буд е т ре зко изме н ят ься . В од н ом случ ае поле от вн е шн е го ист оч н ика
буд е т усиливат ь поле от собст ве н н ой кон т акт н ой разн ост и пот е н циалов и е ще
боле е пре пят ст воват ь прохожд е н ию осн овн ы х н осит е ле й ч е ре з кон т акт (рис.3б)
. Од н ако т ок во вн е шн е й це пи все -т аки буд е т н аблю д ат ься . Он обусловлен
прохожд е н ие м ч е ре з кон т акт н е осн овн ы х н осит е ле й , д ля кот оры х собст ве н н ое
и приложе н н ое эле кт рич е ские поля являе т ся ускоряю щими. Э т от т ок н осит
н азван ие обрат н огот ока Iобр и е гове лич ин а практ ич е ски оч е н ь мала .
