Основы электроники. Прямое и обратное включение диодов Шоттки. Устройство, классификация и основные параметры полупроводниковых диодов

8 ОСНОВЫ ЭЛЕКТРОНИКИ

1.18.1 Основные свойства полупроводников

Полупроводниками называются вещества, которые по своей удельной проводимости являются промежуточными между проводниками и диэлектриками. Отличительная особенность полупроводников – сильная зависимость электропроводности от температуры и концентрации примесей. Электропроводность полупроводника пропорциональна концентрации подвижных носителей заряда и их подвижности. Концентрация подвижных носителей заряда зависит от характера и количества атомов примесей, введенных в кристалл полупроводника. В идеально чистом (беспримесном, собственном) полупроводнике число носителей заряда определяется количеством электронов п, оторвавшихся от атомов в результате теплового возбуждения.

У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные электроны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектриков, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно сравнительно небольшого количества энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещённость, сильное электрическое поле), чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными. С увеличением температуры возрастает число электронов, переходящих из валентной зоны в зону проводимости, и в отличие от проводников проводимость полупроводников возрастает с ростом температуры. Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, удерживаемого ковалентной связью, называется зоной валентности, или валентной зоной. Диапазон энергий, в котором лежит энергия электрона, разорвавшего ковалентную связь и ставшего свободным, называется зоной проводимости. Графическое изображение этих энергетических зон называется зонной энергетической диаграммой (рисунок 8.1). Для того чтобы электрон смог разорвать ковалентную связь и стал свободным, он должен получить энергию, большую ширины запрещённой зоны ΔW.

Рисунок 8.1 – Зонная энергетическая диаграмма

 Электропроводность полупроводников.

Собственная проводимость полупроводников.

Собственным полупроводником, или же полупроводником i-типа, называется идеально химически чистый полупроводник с однородной кристаллической решёткой (рисунок 8.2).

В силовой полупроводниковой технике применяются в основном химические элементы IV группы периодической системы – германий (Ge), кремний (Si) и арсенид галлия (GaAs), имеющие кристаллическую структуру. Кремний широко распространен, его содержание в земной коре составляет 28%, но техника получения чистого кремния очень сложна, поэтому кремниевые приборы стоят дороже, чем германиевые, хотя германий является редким элементом.

Связь атомов в кремнии устанавливается вследствие наличия специфических обменных сил, возникающих при парном объединении валентных электронов. У соседних атомов появляются общие орбиты, на которых в соответствии с фундаментальным положением физики – принципом запрета Паули – находится не более двух электронов. Поскольку атом кремния имеет четыре валентных электрона, он использует эти электроны для связи с четырьмя соседними атомами. Последние, в свою очередь, также выделяют по одному валентному электрону для связи с каждым из своих четырех соседних атомов. Таким образом, любой атом кремния связан с каждым соседним атомом общей орбитой, причем на этой орбите находятся два электрона, как это показано на плоскостной модели (рисунок 8.2). Такая связь атомов называется парно-электронной или ковалентной связью. Атом германия также имеет внешнюю электронную оболочку, состоящую из четырех валентных электронов.

Если электрон получил энергию, большую ширины запрещённой зоны, он разрывает ковалентную связь и становится свободным. На его месте образуется вакансия, которая имеет положительный заряд, равный по величине заряду электрона и называется дыркой. Дырки в полупроводнике ведут себя как положительно заряженные частицы. Процесс образования пары зарядов электрон и дырка называется генерацией заряда. Свободный электрон может занимать  место  дырки, восстанавливая ковалентную связь и при этом излучая избыток энергии. Такой процесс называется рекомбинацией зарядов (рисунок 8.2). Протекание тока в полупроводнике обусловлено не только перемещением свободных электронов, но и перемещением дырок. Это отличает механизм электропроводности полупроводников от проводников. В полупроводниках под действием электрического поля в одном