Рис. 19-6. Кремний, легированный атомом мышьяка.
Атом мышьяка называется донорским атомом, поскольку он отдает свой лишний электрон. В легированном полупроводниковом материале находится много донорских атомов. Это означает, что для поддержки тока имеется много свободных электронов.
При комнатной температуре количество дополнительных свободных электронов превышает количество электронно-дырочных пар. Это означает, что в материале больше электронов, чем дырок. Следовательно, электроны называются основными носителями. Дырки называются неосновными носителями. Поскольку основные носители имеют отрицательный заряд, материал называется полупроводником n-типа.
Если к полупроводнику n-типа приложено напряжение (рис. 19-7), то свободные электроны, добавленные донорскими атомами, начнут двигаться по направлению к положительному выводу. Кроме того, к положительному выводу начнут двигаться электроны, которые смогут разрушить свои ковалентные связи. Эти электроны, разрушив ковалентные связи, создадут электронно-дырочные пары. Соответствующие дырки будут двигаться по направлению к отрицательному выводу.
Рис. 19-7. Ток в полупроводнике n-типа.
Когда полупроводниковый материал легирован трехвалентным материалом, таким, как индий (In), атомы индия разместят свои три валентных электрона среди трех соседних атомов (рис. 19-8). Это создаст в ковалентной связи дырку.
Рис. 19-8. Кремний, легированный атомом индия.
Наличие дополнительных дырок позволит электронам легко дрейфовать от одной ковалентной связи к другой. Так как дырки легко принимают электроны, атомы, которые вносят в полупроводник дополнительные дырки называются акцепторными.
При обычных условиях количество дырок в таком материале значительно превышает количество электронов. Следовательно, дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными. Поскольку основные носители имеют положительный заряд, материал называется полупроводником р-типа.
Если к полупроводнику p-типа приложено напряжение, дырки начинают двигаться по направлению к отрицательному выводу, а электроны — по направлению к положи- тельному выводу (рис. 19-9). Кроме дырок, которые создали акцепторные атомы, возникают дырки, образованные из-за разрыва ковалентных связей, создающие электронно-дырочные пары.
Рис. 19-9. Ток в полупроводнике р-типа.
Полупроводниковые материалы n-типа и p-типа имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводниковые материалы. Эта проводимость может быть увеличена или уменьшена путем изменения количества примесей. Чем сильнее полупроводниковый материал легирован, тем меньше его электрическое сопротивление.
19-3. Вопросы
1. Опишите процесс легирования полупроводникового материала.
2. Какие два типа примесей используются для легирования?
3. Что определяет тип проводимости (n-тип или p-тип) легированного полупроводника?
4. Как легирование поддерживает ток в полупроводниковом материале?
5. Чем определяется проводимость полупроводникового материала?
РЕЗЮМЕ
• Полупроводниковыми материалами являются любые материалы, проводимость которых лучше проводимости изоляторов, но хуже проводимости проводников.
• Чисто полупроводниковыми материалами являются углерод (С), германий (Ge) и кремний (Si).
• В большинстве полупроводниковых приборов используется кремний.
• Валентность — это показатель способности атома присоединять или отдавать электроны.
• Полупроводниковые материалы имеют наполовину заполненные валентные оболочки.
• Кристаллы образуются из атомов, которые совместно используют свои валентные электроны путем образования ковалентных связей.
• Полупроводниковые материалы имеют отрицательный температурный коэффициент сопротивления: при повышении температуры их сопротивление падает.
• Тепло создает проблемы в полупроводниковых материалах, позволяя электронам разрывать ковалентные связи.
• При повышении температуры, электроны в полупроводниковом материале дрейфуют от одного атома к другому.
• Дырка представляет собой отсутствие электрона в валентной оболочке.
• Разность потенциалов, приложенная к чисто полупроводниковому материалу, создает поток электронов, движущийся к положительному выводу и поток дырок, движущийся к отрицательному выводу.
• Ток в полупроводниковых материалах состоит из направленного движения электронов и направленного движения дырок.
• Легирование — это процесс добавления примесей в полупроводниковый материал.
• Трехвалентные материалы имеют атомы с тремя валентными электронами и используются для изготовления полупроводников р-типа.
• Пятивалентные материалы имеют атомы с пятью валентными электронами и используются для изготовления полупроводников n-типа.
• В полупроводнике n-типа электроны являются основными носителями, а дырки — неосновными носителями.
• В полупроводнике р-типа дырки являются основными носителями, а электроны — неосновными носителями.
• Полупроводниковые материалы n- и р-типа имеют значительно более высокую проводимость, чем чистые полупроводниковые материалы.
Глава 19. САМОПРОВЕРКА
1. Что делает кремний более желательным для использования, чем германий?
2. Почему при образовании полупроводниковых материалов важна ковалентная связь?
3. Опишите, как перемещаются электроны в образце чистого кремния при комнатной температуре?
4. Опишите процесс превращения образца чистого кремния в полупроводник n-типа.
5. Опишите, что случится в образце полупроводника n-типа, когда к нему будет приложено напряжение?
Глава 20. Диоды на основе р-n перехода
ЦЕЛИ
После изучения этой главы студент должен быть в состоянии:
• Описать, что такое диод на основе р-n перехода, и как его изготовляют.
• Дать определение обедненного слоя и потенциального барьера.
• Объяснить разницу между прямым смещением диода и обратным.
• Нарисовать схематическое обозначение диода и указать его электроды.
• Описать три конструкции диода.
• Перечислить чаще всего встречающиеся корпуса диодов.
• Проверить диоды с помощью омметра.
Диод — это простейший полупроводниковый прибор. Он позволяет току течь только в одном направлении. Знания, полученные при изучении диодов применимы также к другим типам полупроводниковых приборов.
20-1. р-n ПЕРЕХОД
Когда чистый полупроводниковый материал легируется пятивалентным или трехвалентным материалом, легированный материал называется полупроводником n- или р-типа, в зависимости от того, какие носители являются основными. В целом образец полупроводника любого типа является нейтральным, так как каждый атом содержит одинаковое число протонов и электронов.
