домішкових провідність

Введення домішки в напівпровідник сильно впливає на його провідність. Розрізняють два типу домішки: Донорно і акцепторну.

Д

онорная домішка. Такий домішкою можуть бути атоми V групи таблиці Менделєєва (фосфор, миш'як, сурма), мають по 5 електронів на зовнішній оболонці, тобто на один електрон більше, ніж у атомів напівпровідника. Атоми домішки, потрапляючи в кристалічну решітку, заміщають один з атомів напівпровідника. Такий випадок зображений на рис.2. Чотири валентних електрона атома домішки беруть участь в ковалентного зв'язку з сусідніми атомами напівпровідника, п'ятий же валентний електрон атома домішки залишається вільним. Таким чином, введення в напівпровідник домішки, що складається з атомів V групи таблиці Менделєєва, буде приводити до збільшення концентрації вільних електронів в полупровод-ніку. Слід зазначити, що в напів-воднику, що містить Донорно домішка, крім вільних електронів є також і дірки, якщо температура кристала відмінна від абсолютного нуля. На практиці в напівпровідник вводиться така кількість донорної домішки, щоб концентрація вільних електронів була багато більше концентрації дірок. Такі домішкові полупро-водники називають напівпровідниками nтіпа. Електрони в напівпровідниках з донорной домішкою є основними носіями, а дірки  неосновними.

Акцепторна прімесь.Такой домішкою можуть бути атоми ш

г

Руппі таблиці Менделєєва (бор, галій, індій), що мають по 3 валентних електрона на зовнішній оболонці, тобто на один електрон менше, ніж у атомів напівпровідника. На рис.3 показана кристалічна решітка полупровод-ника з атомами акцепторної домішки.

З малюнка видно, що трьох валентних електронів атома домішки недостатньо для утворення ковалентного зв'язку з чотирма сусідніми атомами напівпровідника. Тобто, введення в напівпровідник тривалентних атомів домішки призводить до зростання в ньому концентрації дірок. Такі домішкові напівпровідники називаються полупро-водників pтіпа. Основними носіями в них є дірки, а неосновниміелектрони.

З

точки зору зонної теорії напівпровідників введення домішки спотворює поле решітки, що приводить до виникнення в забороненій зоні енергетичного рівня, званого домішковим. Причому для донорної домішки, внаслідок слабкої зв'язку надлишкового електрона з атомом, цей рівень, званий донорним, розташований поблизу дна вільної зони (рис.4а).

Для акцепторной домішки в забороненій зоні з'являється уро-вень, званий акцеп-раторних, який рас-покладено поблизу потол-ка валентної зони (рис.4б).

P-n перехід. напівпровідниковий діод

pn переход можна отримати сплавом матеріалів з різним типом провідності або вирощуванням його в спеціальній газовому середовищі. На рис.5 зображено pn  перехід. Тут показані тільки домішкові атоми, тобто акцепторні атоми зліва і донорні атоми праворуч від переходу.

Тут же показані дірки і електрони, внесені доважок-ними атомами. Атоми основного матеріалу на цьому малюнку не показані.

Внаслідок різниці кон-центрації електронів і дірок зліва і праворуч від переходу відбувається дифузія електронів з nобласті в pобласть і дірок з pобласті в n-область напівпровідника. З малюнка видно, що домішкові атоми поблизу кордону переходу позбавлені дірок і електронів, так як електрони і дірки в результаті дифузії перетнули кордон переходу і рекомбинировали, тобто вільні електрони зайняли місця порушених валентних зв'язків  дірок. В результаті утворюється шар атомів, що не має вільних носіїв заряду, званий збідненим шаром. У збідненим шарі існує поле Ек. утворене об'ємним зарядом: негативним в pобласті і позитивним в nобласті. Це електричне поле перешкоджає подальшому руху електронів і дірок через перехід, тобто на шляху руху електронів і дірок виникає потенційний бар'єр.

Н

а рис.6а показаний pnпереход. Заштрихованная область відповідає збідненого (замикаючого) шару.

Якщо на перехід подати напругу, як це показано на рис.6 б, то збіднений шар звузиться, так як на внутрішнє електричне поле ЄК належиться поле батареї ЕБ. спрямоване в протилежну сторону. При цьому потенційний бар'єр знижується і через pnпереход можливий рух вільних носіїв заряду. Таке включення pnперехода називається прямим. При зворотному включенні, тобто способом зазначеному на ріс.6в, збіднений шар розширюється, так як зовнішнє і внутрішнє

поля складаються. При цьому потенційний бар'єр підвищується і струм через pn переход практично дорівнює нулю. Слід зазначити, що незначний струм через pnпереход існує і в останньому випадку. Цей струм обумовлений рухом через pnпереход неосновних носіїв, тобто електронів з p в nобласть і дірок з n в робласть. Концентрація неосновних носіїв в напівпровіднику залежить від температури, отже, і зворотний струм через рn переход залежить від температури.

Пристрій, що містить один рnпереход, називається напівпровідниковим діодом. На електричних схемах діод позначається наступним чином :.

Позитивний висновок називається анодом, негативний -катодом. Для струму I, що протікає через тонкий рnпереход справедливо такий вираз:

де q  заряд електрона; k  постійна Больцмана; Т  абсолютна температура; Io  зворотний струм насичення (струм, обумовлений неосновними носіями).

На рис. 7 показана вольт амперная характеристика полупровод-никового діода (масштаб по вертикальній осі для негативних значень в 1000 разів більше, ніж для позитивних).

Вже при порівняно невеликих негативних напругах зворотний струм досягає струму насичення Io. Зі збільшенням зворотної напруги не відбувається збільшення струму, так як число неосновних носіїв, якими він обумовлений, визначається лише температурою і не залежить від прикладеної ззовні напруги, якщо воно не дуже велике. З рис.7 і вирази (1) ясно, що при одному і тому ж напрузі, доданому в прямому і зворотному напрямку, відмінність у величині струму буде гігантським. Це властивість діодів використовується для випрямлення змінного струму.

Експериментальна установка складається з щита зі змонтованими на ньому елементами випрямляча і електроннопроменевого осцилографа (рис.8). З малюнка видно, що до складу випрямляча входять не тільки

п

олупроводніковие діоди VD1, VD2, а й конденсатори С1 і С2. а також котушка індуктивності (дросель) L і опір R. Справа в тому, що діоди дозволяють з змінного струму отримати постійний по напрямку струм, але величина цього струму буде змінюватися. Для згладжування пульсацій в випрямлячах застосовуються спеціальні фільтри. У нашому випадку це будуть конденсатори і дросель. Осцилограф, який застосовується в даній роботі, для спостереження і вимірювання залежності величини напруги від часу. Досліджуваний струм, протікаючи через опір R, буде створювати на ньому падіння напруги, пропорційне силі струму. Це дозволяє скористатися осцилографом для вивчення характеру залежності сили струму від часу.