ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ПОЛУПРОВОДНИКАХ

К полупроводникам относят вещества, которые по своим электрическим

свойствам занимают промежуточное положение между диэлектриками и

проводниками. Отличительной особенностью полупроводников является

зависимость их электропроводимости от температуры, концентрации при-

месей, воздействия светового и ионизирующего излучений.

При воздействии электрического поля в полупроводнике протекает элек-

трический ток, который можно рассматривать как движение электронов в

одном направлении или движение дырок в противоположном направлении.

В случае абсолютно чистого (собственного или i-типа) полупроводника

количество дырок и количество свободных электронов равны между собой.

Наиболее широко используются два полупроводниковых материала –

германий и кремний, которые являются элементами IV группы периодиче-

ской системы Менделеева, также все большее применение находят материа-

лам на основе соединений галлия. Если полупроводник легирован каким-

либо элементом V группы, например фосфором, то равенство числа свобод-

ных электронов и дырок будет нарушено: свободных электронов в таком

полупроводнике больше, чем дырок. Электрический ток через такой матери-

ал в основном состоит из потока электронов одного направления и сравни-

тельно небольшого количества дырок, движущихся в противоположном на-

правлении. В этом случае электроны называют основными, а дырки – неос-

новными носителями. Полупроводниковые материалы, легированные эле-

ментами V группы, называют полупроводниками электронной электропрово-

димости или полупроводниками n-типа.

Аналогичное положение имеет место, если полупроводник легирован

элементом III группы, например индием. В этом случае количество дырок

превышает количество свободных электронов, и дырки являются основны-

ми носителями. Поскольку основные носители имеют положительный за-

ряд, такие полупроводники называют полупроводниками p-типа.

Если монокристалл полупроводникового материала с одного конца легиро-

вать примесями типа p, а с другого – примесями типа n, то между областями с

различным типом проводимости образуется p-n переход. Некоторые дырки из

области p диффундируют в область n. В результате часть области p получает

небольшой отрицательный заряд. Аналогичным образом электроны из области

n диффундируют в область p, и часть области n оказывается заряженной поло-

жительно. В тонком слое между областями n и p электроны и дырки рекомби-

нируют, и так как этот слой в результате имеет очень мало свободных носителей

заряда, его называют обедненным слоем. Этот слой действует как потенциаль-

ный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии носителей зарядов, и пе-

реход находится в состоянии динамического равновесия (рисунок 1, а).

Анод

а)

Катод

б)

Рисунок 1 – p-n-переход и его вольт-амперная характеристика

Если внешнее напряжение приложено к зажимам таким образом, что точ-

ка А (анод) имеет положительный потенциал по отношению к точке К (ка-

тод), то будет наблюдаться уменьшение толщины обедненного слоя. Потен-

циальный барьер при этом снижается, что способствует протеканию тока

через переход. С увеличением внешнего напряжения ток через переход воз-

растает по экспоненциальному закону до тех пор, пока внешнее напряжение

не станет равным величине потенциального барьера, то есть результирую-

щее напряжение на переходе станет равным нулю. Дальнейшее возрастание

тока через переход ограничивается только сопротивлением полупроводни-

кового материала. Если полярность внешнего напряжения изменить на об-

ратную, то величина потенциального барьера возрастет и основные носите-

ли окажутся блокированными. В этих условиях, однако, через переход будет

протекать незначительный ток, называемый обратным током или током

утечки. При возрастании внешнего обратного напряжения этот ток остается

постоянным, пока напряжение не достигнет точки пробоя. В этой точке при

постоянном напряжении ток быстро возрастает (рисунок 1, б). Ток утечки

сильно зависит от температуры.

Таким образом, при смещении перехода в прямом направлении через

него будет протекать достаточно большой ток, а при обратном смещении,

меньшем пробивного, протекающий через переход ток имеет относительно

малое значение.

Основные причины возникновения тока утечки следующие:

а) образование неосновных носителей при нагревании, воздействии ра-

диации и нарушениях структуры кристаллической решетки. В этих случаях

образуются электронно-дырочные пары и носители заряда, которые являют-

ся неосновными, свободно проходят через p-n переход, смещенный в обрат-

ном направлении для основных носителей. Образование электронно-

дырочных пар при нагревании является наиболее существенной причиной

возрастания тока утечки;

б) поверхностные токи утечки являются существенным фактором только

для кремниевых приборов, в которых тепловой ток утечки весьма незначи-

телен. Поверхностный ток утечки часто обусловлен загрязнением поверхно-

сти и в конечном итоге снижает обратное сопротивление перехода.