Электронные приборы (активные элементы цепей), страница 3

На местах выбывших электронов в валентной зоне образуются «дырки», которые ведут себя как частицы (носители) с положительным зарядом. По мере увеличения их энергии, они как бы «погружаются» в зону (движутся вниз). В идеальном кристалле пп «собственная» концентрация электронов и дырок одинакова (). За счёт этих носителей обеспечивается «собственная» проводимость пп. С увеличением температуры «собственная» концентрация носителей очень резко (экспоненциально) возрастает.

Диэлектрики отличаются от пп с точки зрения зонной теории только тем, что у них ещё шире запрещённая зона и уровень Ферми смещён вниз.

5.2.2. Роль примесей. Полупроводники «» и «» типов.

Примеси разделяют на два типа, донорные и акцепторные. Донорные примеси (Мышьяк, Сурьма, Фосфор с валентностью 5;  Кремний и Германий имеют валентность 4) дают новые занятые энергетические уровни в запрещённой зоне вблизи её верхней границы. Рис. 5.7. Электроны с этих уровней легко переходят в зону проводимости, увеличивая концентрацию «свободных» электронов . Концентрация дырок  при этом не увеличивается. Даже наоборот, уменьшается, поскольку . С ростом концентрации одних носителей, концентрация других должна убывать. К этому интересному равенству приводит детальный анализ ситуации, основанный на статистике Ферми – Дирака. При значительной разнице в концентрации носителей (), получаем пп  - типа  (negative) с электронной проводимостью. Электроны называют тогда основными носителями, а дырки – неосновными.

Акцепторные примеси (Алюминий, Бор, Галлий с валентностью 3) дают новые свободные уровни внизу запрещённой зоны. На эти уровни легко переходят электроны из валентной зоны, образуя новые дырки. Полупроводник с избытком дырок называют пп  - типа (positive) c дырочной проводимостью. Теперь дырки стали основными носителями.

На практике, в пп приборах используются, в основном, пп с примесной проводимостью  или  типа. Разница в концентрациях может составлять много порядков (сильно легированные пп). Типичные значения концентрации основных носителей 10¹⁶ – 10¹⁸ см ^-3 . Однако всегда надо помнить, что в пп есть носители двух типов, основные и неосновные.

Если в некотором объёме пп каким-нибудь образом локально повысить концентрацию носителей (инжекция), то основные и неосновные носители проявляют себя различным образом. Область повышенной концентрации основных носителей исчезает очень быстро (порядка 10 ^–12 сек.; в металлах – 10 ^–18). Область повышенной концентрации неосновных носителей исчезает гораздо медленнее. Процесс идёт в два этапа. Сначала быстро (~10 ^–12 сек.) происходит нейтрализация этого избыточного заряда за счёт притока основных носителей, а затем уже медленно (10 ^–6 – 10 ^-7 сек.) идёт процесс рекомбинации пар носителей, типичный диффузионный процесс. Именно он определяет общее время жизни избыточных неосновных носителей.

5.2.3. Эффект поля.

Если поместить пп в электрическое поле (в конденсатор), то в толще пп электрическое поле исчезнет, но в тонком поверхностном слое на торцах произойдёт процесс аналогичный тому, что происходит в металлах. Надо только учесть два обстоятельства. 1. В пп имеются подвижные носители двух типов. 2. Характерная длина экранирования поля  (Дебаевская длина) на много порядков больше, чем в металлах (~ 1 мкм для  Ge и ~ 20 мкм для Si). На торцах идеального пп (без примесей) образуется два тонких слоя (толщиной порядка ), в которых равновесная собственная концентрация носителей будет нарушена за счёт смещения зарядов. Слева на рис. 5.8а возникнет слой с повышенной концентрацией электронов, а справа – дырок. В этих слоях напряжённость электрического поля будет убывать по мере удаления от поверхности пп.

Если теперь мы поместим в электрическое поле, например, пп с дырочной проводимостью, рис. 5.8б, то в слабом электрическом поле слева, образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей, обеднённый слой, а справа – обогащённый. С увеличением напряжённости электрического поля, концентрация дырок в левом тонком слое будет убывать, а концентрация электронов (неосновных носителей) возрастать. Поэтому возможна ситуация, когда в этом очень тонком слое характер проводимости изменится на противоположный и возникнет индуцированный инверсионный слой  типа. Это обстоятельство широко используется в полевых транзисторах.