Теория:
Физический механизм проводимости полупроводников
В кристаллах полупроводников атомы имеют общую электронную пару (ковалентная решётка). Эти коллективизированные электроны могут перемещаться по всему кристаллу. При низких температурах эти связи прочны и, соответственно, свободных электронов нет, поэтому кристалл не проводит ток. Однако при повышении температуры эти связи могут разрываться, появляются свободные электроны, а вместе с ними и вакантные места, которые называются дырками. Электрический ток в полупроводниках
Во внешнем электрическом поле появляется направленное движение дырок по направлению вектора напряжённости этого поля (дырочная проводимость), а электронов — в обратном направлении (электронная проводимость). В совокупности такие электронную и дырочную проводимость в беспримесных полупроводниках называют собственной проводимостью полупроводника.При наличии примесей помимо собственной проводимости в проводнике появляется ещё и примесная проводимость. Примеси бывают двух видов: донорные и акцепторные.
Донорными примесями называют примеси, которые имеют лишние (для образования связей в решётке) электроны, слабо связанные с ядром. Эти электроны легко становятся свободными и под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с донорными примесями называется полупроводником \(n\)-типа.
Акцепторные примеси — примеси, у которых недостаточно электронов для образования связей в решётке, из-за чего в ней образуются дырки, которые под действием внешнего поля создают ток. Полупроводник с акцепторными примесями называется полупроводником \(p\)-типа.
Зависимость проводимости полупроводника от температуры
Чем выше температура, тем больше свободных электронов и дырок и тем меньше сопротивление полупроводникового кристалла, в отличие от металлов (рис. \(1\)).
Рис. \(1\). Зависимость проводимости полупроводника от температуры
Контактные явления на границах разнородных полупроводников
При контакте двух полупроводников разных типов электроны из \(n\)-области переходят в \(p\)-область, а дырки — в обратную сторону. Поэтому полупроводник \(n\)-типа имеет положительный потенциал и энергия электрона в нём уменьшается, а \(p\)-типа — отрицательный потенциал и энергия электрона увеличивается. Это называется электронно-дырочным (\(n\)-\(p\)) переходом, а возникающее на границе электрическое поле — контактным.
Внешнее электрическое поле изменяет контактное поле, поэтому большее количество электронов и дырок может перейти в другую область, из-за чего через \(n\)-\(p\)-переход будет течь электрический ток.
Внешнее электрическое поле изменяет контактное поле, поэтому большее количество электронов и дырок может перейти в другую область, из-за чего через \(n\)-\(p\)-переход будет течь электрический ток.
Полупроводниковый диод
На \(n\)-\(p\)-переходе основан принцип действия полупроводниковых диодов. Вольт-амперная характеристика диода (рис. \(2\)) показывает, что закон Ома не выполняется.
Рис. \(2\). Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода
Полупроводниковый триод (транзистор)
Принцип действия транзистора основан на двух \(n\)-\(p\)-переходах. Они бывают двух типов: \(p\)-\(n\)-\(p\)-транзисторы и \(n\)-\(p\)-\(n\)-транзисторы. Полупроводник, находящийся посредине, называется базой, а два других — коллектором и эмиттером.
Включим транзистор в цепь так, что переход эмиттер-база будет включён в пропускном направлении, а переход коллектор-база — в запирающем (рис. \(3\)). При приложении входного напряжения \(V_{BE}\) между эмиттером и базой дырки из эмиттера проникают в базу и далее — в коллектор из-за диффузии. Там они двигаются под действием электрического поля, и появляется электрический ток.
Включим транзистор в цепь так, что переход эмиттер-база будет включён в пропускном направлении, а переход коллектор-база — в запирающем (рис. \(3\)). При приложении входного напряжения \(V_{BE}\) между эмиттером и базой дырки из эмиттера проникают в базу и далее — в коллектор из-за диффузии. Там они двигаются под действием электрического поля, и появляется электрический ток.
Рис. \(3\). \(p\)-\(n\)-\(p\)-транзистор
Источники:
Рис. 1. Зависимость проводимости полупроводника от температуры. © ЯКласс.
Рис. 2. Вольт-амперная характеристика полупроводникового диода. © ЯКласс.
Рис. 3. p-n-p-транзистор. © ЯКласс.