Зависимость проводимости собственного полупроводника от температуры

В собственном полупроводнике носителями тока являются электроны и дырки, поэтому для проводимости можно записать:

Концентрация электронов и дырок одинакова. приближенно можно считать, что и их подвижность одинакова, тогда с учетом (*), получим:

Собственные полупроводники широко применяются в технике. Сильная зависимость сопротивления от температуры позволяет использовать их в качестве очень чувствительных термометров, а также для контроля силы тока в цепи.

В этом случае их называют термисторами или терморезисторами. Например, германиевый термистор применяется для измерения очень низких температур. Зависимость сопротивления от давления используется в тензодатчиках.

Примесные полупроводники. Рассмотрим качественно зависимость проводимости примесных полупроводников от температуры. На рис. приведен типичный график зависимости lns от обратной абсолютной температуры. Он характерен как для полупроводников n – типа, так и для р – типа. То, что кривая представляет собой прямые отрезки в таких координатах, показывает, что проводимость зависит от температуры экспоненциально.

Удобнее рассматривать график для полупроводника n – типа (зонную схему – см. ранее). При небольших температурах (отрезок ab) проводимость растет за счет перехода электронов с донорных уровней в зону проводимости. Начиная с некоторых температур проводимость оказывается независящей от температуры (участок bc). Это объясняется тем, что все электроны из донорной зоны перешли в зону проводимости. При дальнейшем нагревании проводимость начинает резко увеличиваться за счет переброски электронов из валентной зоны (участок cd). По наклону прямой ab можно найти ширину запрещенной зоны DЕ1, а по наклону прямой cd ширину запрещенной зоны DЕ2 .

Контакт р — и n — полупроводников.

Если привести в контакт два вещества с разным типом проводимости, то в месте контакта образуется узкая зона, которая называется р-n-переходом или запирающим слоем. [xxvi] Ширина Dх этой зоны для полупроводников порядка

10-5 — 10-4 см, для металлов порядка 10-8 см.

Рассмотрим пример соединения двух примесных полупроводников р— и n – типа, используя зонную схему. Соединение представляет собой единую систему, следовательно, уровень Ферми, который является кинетической энергией электронов, должен быть единым. Ранее были приведены зонные схемы примесных полупроводников. Если их сместить по вертикали так, чтобы уровень Ферми был единым, получим схему, показанную на рисунке ниже

В полупроводнике n— типа имеется множество основных носителей (электронов) и значительно меньшее количество неосновных носителей (дырок).

У р- типа — множество основных носителей (дырок) и существенно меньше неосновных (электронов). В нижней части рисунка большими кружками обозначены основные носители, малыми – неосновные [xxvii]. За счет теплового движения основные носители диффундируют (хаотически перемещаются), встречаются на границе контакта и рекомбинируют. Поэтому граница n-типа заряжается положительно, а граница р- типа — отрицательно. При этом количество носителей не уменьшается, т. к. одновременно происходит обратный процесс – генерация носителей за счет теплового возбуждения.. При динамическом равновесии в месте контакта возникает постоянная разность

потенциалов Dj и создается диффузионный ток основных носителей Iо. В контактной области возникает внутреннее электрическое поле с напряженностью Евнутр, которое препятствует переходу всех основных носителей через границу (отсюда название «запирающий слой»). Неосновные носители, оказавшиеся вблизи границы, под действием этого поля проходят через запирающий слой, создавая небольшой ток неосновных носителей I н/о (дрейфовый ток).

Если к системе не приложено внешнее электрическое поле, эти токи равны, текут в противоположных направлениях, поэтому результирующий ток равен нулю.

Если к системе приложить внешнее электрическое поле (подключить к батарее), то в зависимости от полярности, ток через систему будет проходить или

не проходить. Когда к полупроводнику р- типа приложен более высокий потенциал (плюс батареи – см. левый рисунок), то под действием напряженности

внешнего поля Евнеш основные носители будут проходить через запирающий слой.

Результирующий ток равен разности: I = Iо — I н/о и увеличивается с ростом внешней разности потенциалов. Если к р- типу подключить минус батареи, внешнее поле будет препятствовать переходу основных носителей, но способствовать переходу неосновных носителей. Через запирающий слой будет проходить очень небольшой практически постоянный ток неосновных носителей, т. к. этот ток не зависит от напряженности внешнего поля. На рисунке показана вольт-амперная характеристика р —n— перехода. Из графика видно, что ток

пропускного направления (прямой ток) увеличивается с ростом напряжения U нелинейно. При перемене полярности обратный ток очень мал (примерно в 1000 раз, масштаб на графике не соответствует действительности) и остается практически постоянным. При очень большом обратном напряжении может произойти необратимый пробой

p—n—перехода.

Образование запирающего слоя происходит не только при контакте примесных полупроводников, но и при контакте металл-полупроводник и металл-металл, т. к. некоторые металлы обладают дырочной проводимостью (например, цинк.). Устройства, в которых используется p—n—переход для выпрямления переменного тока, называются диодами.

Для выпрямления синусоидального тока недостаточно одного диода, т. к. получится пульсирующий ток (см. рис.), необходимо использовать несколько диодов и специальные схемы включения.

В разделе «Фотоэффект» упоминалось о фотоэффекте в запирающем слое. Этот эффект можно объяснить следующим образом. Ранее говорилось, что если к p—n-системе приложить внешнее электрическое поле, оно сообщает носителям дополнительную энергию, за счет которой они могут преодолеть потенциальный барьер, перейти в зону проводимости, и система начинает проводить ток. Такую же энергию могут сообщить носителям и кванты света. Для этого нужно сделать слой p— типа очень тонким, так, чтобы свет мог проникнуть к запрещенной зоне. Если энергия кванта будет равна или больше ширины запрещенной зоны полупроводника DЕ, носители будут преодолевать потенциальный барьер запирающего слоя и проникать в область n-типа. Соединяя проводником внешние поверхности p— и n-полупроводников, можно получить ток в цепи, не подсоединяя батарею, а только освещая светом. Аналогичный эффект можно получить, сделав тонким слой n-типа и освещая его светом.

Широкое применение нашли в технике устройства, называемые транзисторами (полупроводниковыми триодами), в которых используются два