- •Лекция 1
- •1.1 Общие сведения о полупроводниках
- •1.2 Собственные полупроводники
- •1.3 Примесные полупроводники
- •1.4 Дрейфовое и диффузионное движение носителей заряда
- •1.5 Время жизни носителей заряда
- •1.6.1 Электрические процессы в p-n-переходе при отсутствии внешнего напряжения.
- •1.6.2 Электрические процессы в p–n–переходе при наличии внешнего напряжения
- •1.6.3 Емкость p-n перехода.
- •1.7 Диод. Графическое изображение на принципиальных схемах. Вах p-n перехода и вах полупроводникового диода.
- •1.7.1 Полупроводниковые диоды
- •1.7.2 Вольт-амперная характеристика идеального диода
- •Вольт- амперная характеристика p-n-перехода.
- •1.8 Типы диодов.
- •1.9 Параллельное и последовательное соединение диодов.
Лекция 1
1.1 Общие сведения о полупроводниках
Все материалы (вещества) условно делятся на 3 группы:
металлы;
полупроводники;
диэлектрики.
По удельному электрическому сопротивлению они различаются следующим образом:
металлы
полупроводники
диэлектрики
108÷109
Ом*м
10-6÷10-5
К полупроводниковым материалам относится группа твердых кристаллических тел, которые по своим свойствам занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. Полупроводниками являются элементы четвертой группы таблицы Менделеева, например Германий (Ge), Кремний (Si) или Селен (Se), и соединения элементов, например арсенид галлия (GaAs), фосфорит галлия (GaP), карбид кремния (SiC).
Характерной особенностью полупроводников, отличающей их от металлов, является возрастание их электропроводности с ростом температуры и при введении в полупроводник специальных примесей.
При повышении температуры удельное электрическое сопротивление у металлов увеличивается, у полупроводников – уменьшается.
1.2 Собственные полупроводники
Кремний и Германий – это элементы четвертой группы периодической системы элементов Менделеева. Они имеют по 4 валентных электрона, которые участвуют в парно-электронных или ковалентных связях с соседними атомами. Эти связи характеризуются перекрытием внешних электронных оболочек атомов и пара электронов в ковалентной связи, принадлежит двум соседним атомам. При повышении температуры часть электронов, имеющих большую энергию, освобождается от связей и становятся свободными носителями заряда (могут свободно перемещаться в межатомном пространстве). При этом в разорванной ковалентной связи как бы появляется положительный заряд, по величине равный заряду электрона, который и приписывают дырке. Фактическое движение электронов (связанных электронов) по ковалентным связям может быть заменено движением дырки в противоположном направлении. Образование свободных электронов и дырок называют генерацией носителей заряда. Она происходит при нагревании полупроводника (тепловая генерация) и при воздействии на полупроводник квантового света (световая генерация),
Рис. 1.1 Полупроводник
электрических полей, поляризующих излучений. Одновременно с генерацией идет обратный процесс – рекомбинация носителей заряда. В результате чего исчезают пары носителей заряда. В состоянии термодинамического равновесия процессы генерации и рекомбинации уравновешены. При этом в полупроводнике существуют равновесные концентрации электронов и дырок(n0, p0). При воздействии на полупроводник нетепловых внешних факторов из-за генерации новых носителей в полупроводнике появляются неравновесные концентрации(n, p). Избыточные концентрации называют разность:
Δn = n – n0
Δp = p – p0
1.3 Примесные полупроводники
Большинство полупроводниковых приборов изготавливают на основе примесных полупроводников. Примесные полупроводники получают из собственных с помощью введения донорных или акцепторных примесей.
Акцепторные примеси – элементы третьей группы периодической системы элементов Менделеева (индий, галлий, алюминий и т.д.). Атомы акцепторной примеси принимают (поглощают) свободные электроны и, соответственно, поставляют дырки. Атом акцепторной примеси имеет 3 валентных электрона, следовательно, одна новая ковалентная связь не заполнена и ее заполняет электрон из соседнего атома. При этом образуется дырка и отрицательный ион. В полупроводнике с акцепторной примесью концентрация дырок (pр) много больше концентрации электронов (nр), которые так же образуются в результате естественной генерации и, следовательно, основными носители заряда в полупроводнике являются дырки, а неосновными – электроны. Электропроводность такого полупроводника дырочная, а сам полупроводник называется полупроводником p-типа.
Рис. 1.2 Полупроводник р-типа
Донорные примеси – элементы пятой группы таблицы Менделеева (сурьма, фосфор, мышьяк и т.д.). Атомы донорной примеси поставляют свободные электроны. Атомы донорной примеси замещают часть атомов собственного полупроводника. Четыре валентных электрона атома донора, участвуют в новых связях, а пятый связан с атомом слабее и при слабых воздействиях превращается в свободный электрон. Сам атом при этом становится примесью. Концентрация свободных электронов (nn) много больше, чем концентрация дырок (pn), которые так же образуются в результате естественной генерации. В таком полупроводнике основные носители заряда – электроны, а неосновные – дырки, электропроводность полупроводника электронная, а сам полупроводник называется полупроводником n-типа.
Рис. 1.3 Полупроводник n-типа
Объем полупроводника n-типа или p-типа остается электрически нейтральным, если носители заряда не покидают пределы полупроводника.