Напівпровідникові прилади (Електропровідність напівпровідників. Електричний струм в напівпровідниках. Електронно-дірковий перехід та його властивості), страница 2

Концентрація примісних електронів встановлюється при виготовлені напівпровідника і реально в зоні провідності вона   значно перевищує власну концентрацію електронів. Тому такий матеріал називається напівпровідником з донорною (доданою) провідністю, або провідністю n-типу, а електрони з концентрацією n_n являються основними носіями заряду.  Кількість примісних електронів не залежить від температури, але з її ростом зростає ківлькість власних електронів. Дірки, які обумовлені власною првідністю, маючи значно меншу концентрацію р_n, називаються неосновними носіями. Концентрація неосновних носіїв залежить від температури. Незважаючи на появу примісних елементів напівпровідник вцілому залишається електрично нейтральним, тому що заряд донорних електронів компенсується нерухомим зарядом іонів. Але при переміщенні основних носіїв з одної ділянки напрівпровідника до іншої  іони можуть створювати нерухомий  нескомпенсований об’ємний заряд.

Якщо в германій або кремній вводиться примісний матеріал ІІІ групи (алюміній, бор), називаємих акцепторними (рис.1.4), то його атом створює лише три парно-валентних зв’язки з сусідніми атомами (рис.1.4 а). Четвертий зв’язок залишається вільним і він заповнюється електроном валентної зони, створюючи при цьому дірку в сусідньому атомі і перетворюючи примісний атом в нерухомийй негативно зарядженний іон.

 З точки зору  енергетичної діаграми  наявність акцепторного домішку приводить до появи локальних рівнів  енергіїї в забороненій зоні поблизу валентної зони (Рис.1.4, б). Кількість їх  визначається концентрацією домішку.  Електрони валентної зони переходять на локальні рівні, так як необхідна для  такого переходу енергія ΔW_З невелика. В результаті в напівпровіднику, який в такому разі називається акцепторний, або напівпровідник р-типу забезпечується  підвищення концентрації дірок. Одночасно в напівпровіднику створюються і власні носії-пари електрон-дірка. Концентрація електроніів в такій структуріі n_p в рабочому діапазоні температур досить низька, але вона залежить від темперетури. Дірки в такій структурі з концентрацією р_p являються основними носіями заряду, а електрони-неосновними.

Характерною особливістю примісних напівпровідників є те, що добуток концентраццції основних і неосновних носіїв є величиною постійною для заданої температури, тобто

                n_n·p_n = n_p·p_р  = const                                                (1.1)

1.2  . Електричний струм в напівпровідниках.

При відсутності електричного поля і при рівномірному розподілені  концентрацій носіїв по об’єму напівпровідника електрони і дірки знаходяться в непреривному хаотичному русі і струм в кристалі відсутній.

Впорядкований рух носіїв з’являється, коли на структуру напівпро-відника діє електричне поле, або має місце нерівномірність розподілення концентрацій дірок і електронів. Якщо носії заряду переміщуються цілеспрямовано під дією електричного поля, то такий їх рух називається дрейфовим; якщо ж під дією різниці конценорації – то дифузійний. Відповідно будуть називатись і струми.

При наявності зовнішнього електричного поля з напруженістю Е щільність дрейфового струму визначається   формулою

            І_д = І_дn+І_др = Еq· (n·m_n+p·m_p),                             (1.2)

де q -  заряд електрона; n, p– відповідно концентрації електроніів і дірок в об’ємі напівпровідника; m_n, m_p – параметри,  значення яких характеризують рухомість носіїв заряду. Одиниця виміру представляється як см²/(В*сек). В цілому m_n > m_p і величини цих параметрів зменшуються з ростом температури(m Т^-3/2).

Дифузійний струм обумовлений різницею концентрації носіїв в рядом розміщених шарах напівпровідника. Носії заряду переміщуються з шару з більшою концентраціією до шару з меншою концентрацією. Для підтримки неперервного струму дифузії  необхфдно постійно піддтримувати різницю концентрацій.

Щільність струму дифузії пропорційна градієнту концентраціій носіїв кожного типу і визначається формулою

I_диф=І_{диф р}+І_{диф n}= q(D_n  +D_p ),                      (1.3)

Де D_n, D_p – коефіцієнт дифузії відповідно електронів і дірок. Коефіцієнт дифузії являється температурно залежним параметром в пропорції D  T^-1/2 ;   ,  - градієнти концентрацій носіїв.

1.3  Використання примісних напівпровідників.

Залежність концентрації вільних носіїв заряду примісного напівпровідника від широкої гами зовнішніх факторів обумовили широке його використання в різноманітних резисторах, в яких має місце однаковий рівень концентрації примісних елементів по всьому об’єму напівпровідника. Тип примісних елементів, їх концентрація, технологія виготовлення і, накінець, конструкція резистора забеспечують одержання різних вольт-амперних характеристик і їх залежностей від керуючих параметрів. На рис.1.5 приведені основні типи напівпровідникових резисторіів та їх умовні позначення в схемах

 

Рис.1.5.

Лінійні резистори мають параметри, які мало залежать від зовнішніх факторів і щільності струму, що протікає через нього. Основними їх параметрами являються опір і потужність. Напівпровідникові резистори находять широке використання в інтегральних схемах.

Варистори – напівпровідникові резистори, опір яких залежить від прикладаємої напруги. ВАХ варистора нелінійна і має вигляд, приведений на рис.1.6. Нелінійність характеристик обумовлена наявністю локального перегріву в місцях контактів між між кристалами карбіду кремнію, внаслідок чого опір резистора знижуєтья. Основними параметрами являються коефіцієнт нелінійності і  напруга порогу з якою починають проявлятись нелінійні властивості.

Варистори  використовуються для електронної апаратури від перенапруг. Приклад такого використання демонструє схема, що приведена на рис.1.6 б. При намінальній напрузі U(t) опір варистора досить високий, тому вона майже повністю прикладається на навантаження Rн. Якщо напруга зростає, то  опір варистора суттєво зменшується, збільшується струм через нього і , відповідно, зростає падіння напруги на баластному опорі R. Напруга на навантаженні при цьому зростає мало.