Полупроводники

Виды проводимости полупроводников

Существует два вида проводимости полупроводников: <<n-тип>> и <<p-тип>>.

Термин <<n-тип>> происходит от слова <<negative>>, обозначающего отрицательный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников имеет примесную природу. В четырёхвалентный полупроводник (например, кремний) добавляют примесь пятивалентного полупроводника (например, мышьяка). В процессе взаимодействия каждый атом примеси вступает в ковалентную связь с атомами кремния. Однако для пятого электрона атома мышьяка нет места в насыщенных валентных связях, и он переходит на дальнюю электронную оболочку. Там для отрыва электрона от атома нужно меньшее количество энергии. Электрон отрывается и превращается в свободный. В данном случае перенос заряда осуществляется электроном, а не дыркой, то есть данный вид полупроводников проводит электрический ток подобно металлам. Примеси, которые добавляют в полупроводники, вследствие чего они превращаются в полупроводники n-типа, называются донорными.

Термин <<p-тип>> происходит от слова <<positive>>, обозначающего положительный заряд основных носителей. Этот вид полупроводников, кроме примесной основы, характеризуется дырочной природой проводимости. В четырёхвалентный полупроводник (например, в кремний) добавляют небольшое количество атомов трехвалентного элемента (например, индия). Каждый атом примеси устанавливает ковалентную связь с тремя соседними атомами кремния. Для установки связи с четвёртым атомом кремния у атома индия нет валентного электрона, поэтому он захватывает валентный электрон из ковалентной связи между соседними атомами кремния и становится отрицательно заряженным ионом, вследствие чего образуется дырка. Примеси, которые добавляют в этом случае, называются акцепторными.

Собственная проводимость полупроводников

Полупроводники, в которых свободные электроны и «дырки» появляются в процессе ионизации атомов, из которых построен весь кристалл, называют полупроводниками с собственной проводимостью. В полупроводниках с собственной проводимостью концентрация свободных электронов равняется концентрации «дырок». Проводимость связана с подвижностью частиц следующим соотношением:

\sigma=e\left(n_{n} \mu_{n}+n_{p} \mu_{p}\right) , где \mu_{n} — подвижность электронов, \mu_{p} — подвижность дырок, N_{n, p} — их концентрация, e — элементарный электрический заряд.

Для собственного полупроводника концентрации носителей совпадают, и формула принимает вид:

\sigma=e n\left(\mu_{n}+\mu_{p}\right) . Подвижность зарядов

Подвижность носителей заряда — коэффициент пропорциональности между дрейфовой скоростью носителей заряда и приложенным внешним электрическим полем, иначе говоря \mu = \frac{v_d}{E}, если среда изотропная.

Проводимость <<p>> и <<n>> типов

Приближённо, мы можем считать, что в полупроводниках <<n-типа>> концентрация дырок много меньше концентрации электронов, соответственно

\sigma_n =e n_n \mu_{n}. В свою очередь, мы можем считать, что в полупроводниках <<p-типа>> концентрация электронов много меньше концентрации дырок, соответственно:

\sigma_p =e n_p \mu_{p}. Полупроводниковый диод

- это простейшее устройство, основанное на полупроводниках. Оно состоит из соединения двух полупроводников, соответственно <<p>> и <<n>> типа.

На границе между ними образуется участок, в котором электроны и дырки рекомбинируются друг с другом и, если не приложено внешнее напряжение, то нет и свободных зарядов. Эта область называется областью <<p-n перехода>>.

К диоду, как и к любому другому элементу цепи можно приложить напряжение. Если напряжение прикладывается в <<правильном>> направлении (то есть потенциал у края рядом с полупроводником <<p-типа>> больше, чем потенциал у края рядом с полупроводником <<n-типа>>), то возникающее поле помогает электронам и дыркам преодолеть область <<p-n перехода>>. Если же приложить напряжение в обратную (<<неправильную>>) сторону, то размер области <<p-n перехода>> увеличивается и направленное движение частиц становится невозможным.

полупроводники1 Полупроводниковый биполярный транзистор

Биполярный транзистор - это полупроводниковый прибор, имеющий три области, называемые эмиттер, база и коллектор. Каждая из этих областей выполняет свою уникальную функцию.

Эмиттер:

является областью, из которой выходят носители заряда в область базы. Он обеспечивает ввод или вывод носителей заряда в транзистор. Эмиттер обычно имеет сильное легирование, чтобы обеспечить высокую концентрацию носителей заряда.

База:

является участком между эмиттером и коллектором. Ее функция - контроль тока между эмиттером и коллектором. Путем изменения тока в базе можно управлять током между эмиттером и коллектором. База обладает очень малой шириной по сравнению с другими областями и обеспечивает пропорциональное увеличение или уменьшение тока в коллекторе.

Коллектор:

является областью биполярного транзистора, которая принимает большую часть носителей заряда, вышедших из эмиттера. Коллектор обычно имеет большую площадь и сильное легирование для эффективного сбора большого количества носителей заряда.

Легирование, это, попросту говоря, добавление в состав примесей.

Если рассматривать плоскую модель БТ, то радиокомпонент представляет собой две области с p- или n- проводимостью (эмиттер и коллектор), разделённые тонким слоем полупроводника с проводимостью обратного знака (база). Полупроводниковый кристалл со стороны коллектора физически крупнее. Такое соотношение обеспечивает правильную работу биполярного транзистора. В зависимости от типа проводимости эмиттера, коллектора и базы различают pnp- и npn- транзисторы.

полупроводники21 В npn-транзисторе крайняя область (эмиттер) имеет электропроводность типа n, средняя область (база) - типа p, а крайняя область (коллектор) - также типа n.

В pnp - транзисторе соответственно наоборот: эмиттер типа p, база типа n, коллектор типа p. В принципе, они функционируют одинаково с той лишь разницей, что к ним прикладываются напряжения разной полярности. Выбор того или иного вида БТ определяется особенностями конкретных радиотехнических устройств.

Cуществует несколько режимов, в каждом из которых может работать биполярный транзистор. В этот список входят следующие:

1) отсечка;

2) активный режим;

3) насыщение;

4) барьерный режим.

Существует ещё так называемый инверсный режим, но он на практике не используется и заключается просто в смене функций коллектора и эмиттера. Поэтому опишем подробнее только четыре первых.

1. Отсечка. В том случае, если разность потенциалов между эмиттером и базой ниже некоторого порогового значения, то база-эмиттерный p-n-переход оказывается закрытым, поскольку ток базы не возникает. В связи с этим коллекторный ток не протекает по той причине, что в базовом слое отсутствуют свободные электроны. Таким образом, транзистор переходит в состояние отсечки и сигнал не усиливает. Этот режим используется в цифровых схемах, когда БТ работает как ключ в положении «разомкнуто».

2. Активный режим. В этом режиме радиокомпонент усиливает сигнал, то есть исполняет свою основную функцию. На базу подаётся разность потенциалов, которая открывает база-эмиттерный p-n-переход. Как следствие, в транзисторе начинают протекать токи коллектора и базы. Значение коллекторного тока вычисляется как арифметическое произведение величины тока базы и коэффициента усиления.

3. Насыщение. В этот режим биполярный транзистор входит при увеличении тока базы до некоего предельного значения, при котором p-n-переходы полностью открываются. Значение тока, протекающего через БТ при его насыщении, зависит лишь от питающего напряжения и величины нагрузки в коллекторной цепи. В данном режиме входной сигнал не усиливается, ведь коллекторный ток не воспринимает изменений тока базы. Способность транзистора к переходу в насыщение используется в цифровой технике, когда БТ играет роль ключа в замкнутом положении.

4. Барьерный режим. Здесь транзистор работает как диод с последовательно включённым резистором. Для этого базу напрямую или через малоомное сопротивление соединяют с коллектором. В данном режиме триоды хорошо показывают себя в высокочастотных устройствах. Кроме того, использование транзистора в барьерном режиме целесообразно на реальном производстве для снижения общего количества комплектующих.

Оптика полупроводников

Поглощение света полупроводниками обусловлено переходами между энергетическими состояниями зонной структуры. Учитывая принцип запрета Паули, электроны могут переходить только из заполненного энергетического уровня на незаполненный. В собственном полупроводнике все состояния валентной зоны заполнены, а все состояния зоны проводимости незаполненные, поэтому переходы возможны лишь из валентной зоны в зону проводимости. Для осуществления такого перехода электрон должен получить от света энергию, превышающую ширину запрещённой зоны. Фотоны с меньшей энергией не вызывают переходов между электронными состояниями полупроводника, поэтому такие полупроводники прозрачны в области частот \omega<E_g / \hbar , где E_g - ширина запрещённой зоны, \hbar — постоянная Планка.

Эта частота определяет фундаментальный край поглощения для полупроводника. Для полупроводников, которые зачастую применяются в электронике (кремний, германий, арсенид галлия) она лежит в инфракрасной области спектра.

Дополнительные ограничения на поглощение света полупроводников накладывают правила отбора, в частности закон сохранения импульса.

Таким образом, некоторые полупроводники, такие как арсенид галлия, начинают сильно поглощать свет, когда энергия кванта превышает ширину запрещённой зоны. Такие полупроводники очень удобны для использования в оптоэлектронике и называются <<прямозонными>>.

Это свойство используется в большинстве современных фотоэлементов.