POLITECHNIKA LUBELSKA

WYDZIAŁ MECHANICZNY

Laboratorium elektrotechniki i elektroniki

Temat

półprzewodniki - teoria

1. Półprzewodniki samoistne i domieszkowane

Półprzewodniki stanowią specjalną grupę ciał, które pod względem przewodzenia prądu elektrycznego zajmują miejsce pośrednie pomiędzy przewodnikami a dielektrykami. Przewodzenie ich jednak bardzo różni się od przewodzenia metali i te różnice pozwoliły na bardzo cenne wykorzystanie praktyczne półprzewodników. Do stosowanych w elektrotechnice półprzewodników zalicza się german, krzem, selen, tlenek miedzi.

Przewodzenie prądu elektrycznego przez półprzewodniki rozpatrzono na przykładzie chemicznie czystego germanu (rys.1.1). Atomy jego tworzą siatkę krystaliczną w postaci szeregu zespolonych ze sobą sześcianów. Pojedynczy sześcian zawiera pięć atomów germanu, cztery w narożnikach i jeden w środku sześcianu. Każdy z atomów kryształu ma cztery elektrony walencyjne. Łączą się one z podobnymi im elektronami z sąsiednich atomów w pary elektronowe, tworząc wiązania.

Rys. 1.1. Wiązanie w krysztale germanu

W przeciwieństwie do metali w germanie chemicznie czystym nie występują elektrony swobodne i zachowuje się on w bardzo niskich temperaturach jak dielektryk. Przez dostarczenie do kryształu odpowiedniej ilości energii cieplnej lub świetlnej można spowodować zniszczenie wiązania atomowego. W wyniku tego zostanie z tego atomu wyzwolony elektron umożliwiający przewodzenie prądu. W sieci krystalicznej w miejscu wyzwolonego elektronu pozostanie przestrzeń pusta, nazwana dziurą, która zachowuje się tak jak ładunek dodatni ( przewaga dodatniego ładunku jądra po utracie jednego elektronu) i może być również nośnikiem prądu elektrycznego. A zatem wyzwolenie elektronu w krysztale germanu powoduje powstanie pary: elektron - dziura. Oba te nośniki, tzn. ujemny elektron i dodatnia dziura umożliwiają przewodzenie prądu elektrycznego.

Dalsze doprowadzenie ciepła powoduje wyzwolenie coraz to większej liczby elektronów swobodnych, w wyniku czego opór właściwy półprzewodnika maleje. Tę właściwość półprzewodników wykorzystano do budowy tzw. termistorów czyli oporników o oporze malejącym lub rosnącym ze wzrostem temperatury. Wykorzystuje się je np. do pomiaru temperatury i ograniczania prądu rozruchowego silników elektrycznych.

Przewodzenie dziurowe przebiega w ten sposób, że w atomie w miejsce dziury pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego przechodzi elektron z sąsiedniego atomu, w którym powstaje dziura, do której trafia elektron z następnego, sąsiedniego z kolei atomu. Ruch dziury odbywa się więc swego rodzaju skokami, tym się tłumaczy poruszanie się dziur. Tego rodzaju przemieszczanie się dziur jest równoważne z prądem elektrycznym, którego nośnikami są ładunki dodatnie dziur. Tworzące się pod wpływem energii cieplnej pary elektron - dziura po upływie pewnego czasu rzędu 10^-4 s ulegają rekombinacji, czyli wychwytywaniu przez zjonizowane atomy brakujących elektronów. Przy danej temperaturze w jednostce objętości półprzewodnika ilość par elektron - dziura utrzymuje się mniej więcej na stałym poziomie. Materiały takie nazywamy półprzewodnikami samoistnymi.

Przez wprowadzenie do sieci krystalicznej czystego germanu lub krzemu, nieznacznej ilości domieszki arsenu lub antymonu o wartościowości równej 5, tzn. mającego 5 walencyjnych elektronów zmieniają się zasadniczo właściwości germanu (rys.1.2). Cztery elektrony walencyjne domieszki zostaną powiązane z atomami germanu, a piąty staje się elektronem swobodnym i może być nośnikiem prądu wewnątrz siatki krystalicznej.

Rys. 1.2. Sieć krystaliczna germanu z domieszką arsenu

Domieszka arsenu dostarcza, więc do germanu elektrony swobodne. Taki półprzewodnik nazywa się półprzewodnikiem typu n ( n - negative). Domieszki dostarczające do półprzewodnika elektrony swobodne, jak arsen lub antymon, nazywają się donorami.

Przez wprowadzenie do sieci krystalicznej germanu lub krzemu domieszki z pierwiastka o wartościowości równej 3, które mają trzy elektrony walencyjne (bor, ind), zmieniają się właściwości germanu lub krzemu (rys.1.3). W siatce krystalicznej germanu zabraknie, więc jednego elektronu do wytworzenia 4 wiązań.

Rys. 1.3. Sieć krystaliczna germanu z domieszką indu

Brak elektronu stwarza puste miejsce, czyli dziurę, która może być nośnikiem prądu elektrycznego. Taki półprzewodnik nazywa się półprzewodnikiem typu p ( p - positive). Domieszki powodujące tworzenie się dziur w półprzewodniku nazywają się akceptorami.

1.2. Właściwości złącza p-n

5

---