Электрический ток в полупроводниках

ВВЕДЕНИЕ

Электронная техника как отрасль науки и техники играет важную роль в разработке современного электроподвижного состава железнодорожного транспорта.

Электронная техника включает силовые преобразователи, а также импульсные и цифровые устройства управления, автоматики и вычислительной техники, создаваемые на основе силовых полупроводниковых компонентов и интегральных микросхем.

Средствами силовой электронной техники электрическая энергия трехфазного или однофазного тока промышленной частоты преобразуется в электрическую энергию с рациональными для электрической тяги параметрами. От структуры и параметров преобразователей существенно зависит тяговая и энергетическая эффективность и экономичность электровозов и электропоездов, устройств тягового электроснабжения и системы электрической тяги в целом.

На базе импульсных и цифровых устройств информационной электроники создаются автоматизированные системы, в том числе гибкие программируемые комплексы, направленные на дальнейшее совершенствование характеристик силового электрооборудования, повышение уровня контролепригодности, надежности и снижения затрат на эксплуатацию.

ЛЕКЦИОННЫЙ КУРС

Часть 1

Полупроводниковые приборы

Электрический ток в полупроводниках

В кристалле полупроводника можно создать искусственным путем такие условия, при которых число электронов не будет равно числу дырок и, следовательно, электропроводность его будет вызываться движением электрических зарядов преимущественно какого-либо одного знака: либо электронов, либо дырок. При этом проводимость полупроводника резко возрастает.

Примеси, увеличивающие число свободных электронов в полупроводнике, называют донорными примесями (донор - поставщик). В полупроводниках с донорной примесью, как и в чистых полупроводниках, постоянно возникают также пары электрон-дырка. Однако основными носителями электричества будут в них, очевидно, электроны, так как число их значительно больше числа дырок, образующихся благодаря собственной электропроводимости германия или кремния. Дырки же являются неосновными носителями электричества. Обусловленная ими проводимость при нормальной температуре будет во много раз меньше проводимости, созданной электронами примеси.

Примеси, создающие в полупроводнике дырочную проводимость, называются акцепторными (акцептировать - захватывать). Атомы акцепторных примесей создают добавочные свободные энергетические уровни, расположенные ближе к валентной зоне, чем уровни зоны проводимости идеального полупроводника.

Проводимость, обусловленная присутствием атомов другого вещества, называется примесной проводимостью.

Примесная проводимость, образованная лишними электронами, называется электронной проводимостью, или проводимостью типа n (от первой буквы слова negative - отрицательный). Если же эта проводимость обусловлена не занятыми электронами связей (дырок), то она называется дырочной проводимостью, или проводимостью типа p (от первой буквы слова positive - положительный).

Полупроводники, обладающие проводимостью типа n, называются отрицательными, или полупроводниками типа n, а имеющие проводимость типа р - положительными, или полупроводниками типа р. Полупроводник, в котором имеется только собственная проводимость, называется полупроводником типа i (от слова intrinsic - чистый, беспримесный).

При включении полупро­водника типа n в цепь электрического тока в проводах, соединяющих по­лупроводник с источником тока, так же, как и в самом полупроводни­ке, движутся свободные электроны (рис. 8, а). При включении полупро­водника типа р в соединительных проводах по-прежнему движутся свободные электроны, а внутри полупроводника в основном перемеща­ются дырки (рис. 8, б). Когда дырки достигают отрицательного полюса, они заполняются (рекомбинируют) электронами, подошедшими к этому полюсу по соединительному проводу от источника тока. Электроны же, покидающие полупроводник, направляются к положительному полюсу и по второму соединительному проводу к источнику тока.

Хотя в реальных полупроводниках типов n и р электропроводи­мость обусловлена главным образом носителями электричества, созда­ваемыми благодаря примесям, в них имеется также и небольшое число неосновных носителей, обусловленных образованием пар электрон-дырка в материале самого полупроводника. Следовательно, полный ток в реальном полупроводнике является суммой электронного и ды­рочного токов. В полупроводнике типа п основным током будет элект­ронный, т. е. I» I_n, а неосновным — дырочный, причем электроны и дырки движутся навстречу друг другу.

В полупроводнике типа р основным током является дырочный, т.е I» I_p, неосновным - электронный.

В идеальном полупроводнике без посторонних примесей электричес­кий ток образуется в результате движения равного числа электронов и дырок, т, е. I=I_n + I_p, причем каждая составляющая этого тока значительно меньше, чем в полупроводниках с электронной или дырочной проводимостью.