47. Електричний струм у напівпровідниках. Власна і домішкова провідність напівпровідників. Контактні явища в напівпровідниках. Р-n перхід.

До напівпровідників належать деякі метали, окисли металів, сульфіди (сполуки сірки), селеніди (сполуки селену), деякі сплави. Значна частина напівпровідників має кристалічну будову.

Електричні властивості напівпровідників залежать від освітленості, дії зовнішніх полів, температури, домішок тощо. Температурна залежність питомої електропровідності напівпровідника визначається експоненціальним законом

де Т – абс. темпер., g₀ – константа, характерна для даного напівпровідника, k – стала Больцмана, DW₀ – енергія активації, тобто енергія, необхідна для переведення електронів з валентної зони в зону провідності.

При Т = 0°К напівпровідники є ізоляторами, а при високих температурах їх електропровідність наближається до провідності металів.

Розрізняють електропровідність н-в власну і домішкову.

Власна електропровідність зумовлена переміщенням електронів власних атомів, вона буває електронною і дірковою. Пояснимо її механізм.

За рахунок додаткової енергії частина електронів переходить з валентної зони в зону провідності – ці електрони стають вільними. Електрони, що перейшли в зону провідності під впливом ел. поля, утворюють струм. З переходом електрона у верхню зону провідності у валентній зоні з’являються вільні енергетичні рівні або позитивні дірки. Електрони, які залишаються у валентній зоні, під впливом поля переходять з нижчих енергетичних рівнів цієї зони на вищі, де були вільні місця. При цьому виникають нові дірки, які рухаються в напрямі, протилежному до напряму переміщення електронів.

Під домішками розуміють введені у кристалічну решітку атоми інших елементів.

В одних випадках вони є додатковими постачальниками електронів у кристалі (атоми таких домішок наз. донорами), а в інших – центрами захоплення електронів у кристалах (атоми таких домішок наз.

Розглянемо домішкову електронну провідність на прикладі германію з домішками атомів миш’яку. Германій IV-валентний, а миш’як – V-валентний елемент. Коли в кристалічній решітці атом германію заміщується атомом миш’яку, чотири електрони миш’яку утворюють міцний парноелектронний зв’язок з чотирма сусідніми атомами германію, а п’ятий електрон миш’яку, слабко зв’язаний зі своїм атомом, легко робиться вільним навіть при кімнатній температурі. Такий напівпровідник має властивість електронної домішкової провідності або провідності n-типу.

Енергія домішкових електронів менша від енергії нижчого рівня зони провідності напівпровідника. Тому енергетичні рівні домішкових електронів (донорні рівні) лежать у забороненій зоні напівпровідника, причому ближче до зони провідності, ніж до заповненої зони.

Оскільки енергія активації DЕ дуже мала (для кремнію з домішками миш’яку DЕ = 0,054 еВ), то за рахунок теплової енергії електрони домішок з донорного рівня переходять у зону провідності напівпровідника.

Домішкову діркову провідність германій матиме тоді, коли домішковий елемент буде тривалентний, наприклад, індій, бор. Коли атом германію заміщується атомом індію, останній утворює міцний зв’язок тільки з трьома валентними електронами германію і для утворення повного парноелектронного зв’язку не вистачає одного електрона. Тому один з електронів сусіднього атома германію заповнює в атомі індію валентний четвертий зв’язок. Атоми індію стають центрами захоплення електронів. На місці електрона, який відірвався від германію, з’являється “позитивна дірка”.

Контактні явища в напівпровідниках

Розглянемо контакт напівпровідників p і n-типу.У n-типі (Ge з домішками миш’яку) схематично зобразимо іони миш’яку квадратами, а вільні електрони позначимо кружками. У p-типі (Ge з домішками індію) – негативні іони індію зобразимо квадратами “-”, а дірки – кружками із знаком “+”.

Такий контакт наз. електронно-дірковим переходом (n-p-перехід).

Під впливом теплового руху електрони дифундують у р-область і рекомбінують з дірками, а дірки, які перейшли в n-область, рекомбінують з електронами. Тому в шарі ab буде збіднення електронів і з’явиться позитивний об’ємний заряд, а в шарі bc буде збіднення дірок і з’явиться надлишок негативних зарядів. На межі n-p-переходу виникає

подвійний електричний шар товщиною ас, в якому вектор направлений від n-області до p-області.

У шарі ас під впливом поля виникає великий опір для основних носіїв струму. Цю область біля межі n-p-переходу із зниженою концентрацією електронів і дірок, в якій опір підвищений, називають запірним шаром. У запірному шарі виникає контактна різниця потенціалів, або, як кажуть, утворюється потенціальний бар’єр (кілька десятків вольтів) для основних носіїв струму.

При звичайній температурі в електронів і дірок не вистачає енергії, щоб подолати цей бар’єр. Дію запірного шару можна змінювати послабленням або підсиленням поля Е₁.

P-n перехід — область контакту напівпровідників p- та n-типу, яка характеризується одностороннім пропусканням електричного струму.