Конспект урока: Электрический ток в полупроводниках. P-n переход. Полупроводниковый диод

Рис. 1. Зависимость 𝜌(T) для полупроводников

Исходя из названия, ясно, что полупроводники — это что-то между проводниками и диэлектриками. Удельное сопротивление полупроводников имеет промежуточное значение между удельными сопротивлениями чистых металлов и диэлектриков: $\rho \in \left(~{10}^{-8}; ~{10}^{17}\right) \mathrm{Ом}·\mathrm{м}$. Основными представителями полупроводников являются кремний и германий, а также мышьяк, сера, углерод и другие. Обратим особое внимание на зависимость удельного сопротивления полупроводников от температуры (см. рис. 1).

Рис. 2. Плоский профиль кристаллической решётки кремния

Помимо этого, атомы полупроводников скреплены ковалентной связью — это связь, существующая между атомами за счёт общих электронных пар, образованных валентными электронами. Рассмотрим кристаллическую решётку кристалла кремния (рис. 2). Поскольку кремний — это четырёхвалентный элемент, то каждый его атом скреплён сразу с четырьмя соседними атомами.

Рис. 3. Проводимость n-типа

При достаточно низких температурах все валентные электроны прочно связаны с атомами кристаллической решётки. Но при повышении температуры может произойти разрыв электронной связи между соседними атомами. В следствие этого электроны покидают своё место и начинают хаотично блуждать. Если приложено электрическое поле, то электроны начнут двигаться упорядоченно и возникнет ток. Проводимость, обусловленная движением электронов, называется проводимостью n-типа.

Рис. 4. Проводимость p-типа

Возможно и другое развитие событий. Когда электрон покидает своё место, там образуется дырка — вакантное место для электрона. Дырка имеет положительный заряд, появляющийся за счёт нескомпенсированного заряда ядра. На вакантное место может перейти электрон от другого атома, тогда дырка окажется на другом месте, куда может перейти новый электрон и так далее. В конечном итоге получаем движение дырки или, что то же самое, движение положительного заряда.

Рис. 5. Донорная примесь

Рассмотрим другой способ появления носителей заряда в полупроводниках — добавление примеси. Основная особенность такого способа состоит в том, что примесь отличается валентностью от полупроводника. Поместим пятивалентный мышьяк в кристалл кремния. Из-за различия валентности один электрон мышьяка остаётся без пары для ковалентной связи. Этот электрон нестабилен, поэтому достаточно небольшой энергии, чтобы он отделился от атома мышьяка.

Рис. 6. Акцепторная примесь

Если же поместить в полупроводник примесь с валентностью меньшей, чем у атомов решётки, то будет преобладать дырочная проводимость. Например, поместим трёхвалентный галий в кремний, тогда появляется место, в котором «не хватает» электрона, в результате чего образуется дырка. Подобные примеси, создающие электронную проводимость, называют акцепторными (принимающими) примесями. А полупроводники, в которых в результате внедрений примесей образуются дырки, называют полупроводниками с примесной дырочной проводимостью p-типа.

Рис. 7. Образование запирающего слоя в области p−n-перехода

Вблизи p−n-перехода свободные электроны из полупроводника n-типа диффундируют в полупроводник p-типа. Аналогично дырки из полупроводника p-типа диффундируют в полупроводник n-типа. Получаем, что области с разным типом проводимости, примыкающие к p−n-переходу, приобретают избыточные заряды разного знака. В области p−n-перехода образуется два разноимённо заряжённых электрических слоя, подобные пластинам плоского конденсатора. Образовавшееся электрическое поле препятствует диффузии электронов и дырок.

Рис. 8. Включение в прямом направлении

Если подать «+» на p-полупроводник, а «−» на n-полупроводник, то это приведёт к уменьшению запирающего слоя, поскольку внешнее поле будет противоположно направлено полю запирающего слоя. В цепи возникает ток, вызванный движением основных носителей заряда. Такая схема носит название включения в прямом направлении (см. рис. 8).

Рис. 9. Диод в электрической цепи

Свойства p−n-перехода используют для создания различных полупроводниковых приборов. Одним из самых распространённых приборов является полупроводниковый диод. Простым языком, диод — это устройство, проводящее ток в одном направление (диод открыт), в противоположном направление ток через диод не идёт (диод закрыт).

Рис. 10. ВАХ диода

Рассмотрим вольтамперную характеристику диода. Область с положительным напряжением соответствует случаю прямого подключения диода, когда ток через него проходит. При изменении полярности напряжения между выводами диода сила тока через него может меняться в сотни тысяч раз. Данный эффект применяется в выпрямителях — устройствах, преобразующих переменный ток.