Примесная проводимость полупроводников

Свойства полупроводника существенно меняются даже при малых количествах примеси (10^-4-10^-5%). При этом валентность примеси может быть или больше или меньше, чем у основного полупроводника.

Рассмотрим оба эти варианта.

а) Пусть в 4-валентный германий добавлена 5-валентная примесь, например, мышьяк. Четыре валентных электрона атома мышьяка при этом образуют ковалентные связи с атомами гер­мания (рис. 2), а пятый электрон оказывается настолько слабо связанным с атомом мышьяка, что он становится свободным.

Количество электронов в этом случае станет много больше количества дырок (n_e > n_р). Электроны будут основными

носителями тока, а дырки — неосновными. Такой полупроводник называется полупроводником n-типа (от слова "negativ" — отри­цательный). Примесь, обогащающая полупроводник электрона­ми, называется "донорной".

б) Пусть теперь в 4-валентный германий добавлена примесь из III группы таблицы Менделеева, например, индий. У индия три валентных электрона, которые свяжутся с тремя соседними атомами германия, образуя прочные связи (рис. 3). Связь с че­твертым атомом германия будет непрочной, т.к. нет четвертого внешнего электрона. Поэтому каждый атом индия образует по одной дополнительной дырке, которая может хаотически пере­мещаться по кристаллу. В результате количество дырок стало много больше количества электронов (п_р > п_е). Дырки стано­вятся основными носителями тока, а электроны — неосновными. Такой полупроводник называется полупроводником р-типа. При­месь, обогащающая полупроводник дырками, называется "акце­пторной*.

Контакт р- и п-полупроводников. Полупроводниковый диод

Большое практическое значение имеет устройство, в кото­ром полупроводники п- и р-типа приведены в тесный контакт (под тесным контактом понимается соединение на расстояниях порядка межатомных, например, наплавление или напыление од­ного полупроводника на другой). На границе соприкосновения п— и р— полупроводников начинается диффузия избыточных но­сителей. Электроны из п-полупроводника будут перемещаться в р-полупроводник, а дырки — в противоположном направлении.

В результате пограничный слой со стороны р-полупровод-ника заряжается отрицательно, а со стороны п -полупроводника

— положительно, т.е. в зоне контакта образуется двойной элек­трический слой (рис. 4).

Возникающее в этом слое электрическое поле напряженно­стью Е' будет препятствовать дальнейшему переходу электронов в направлении п → р и дырок в направлении р → п. В итоге при определенном значении напряженности Е' установится равнове­сие: прекратятся преимущественные перемещения электронов и дырок в указанных направлениях. Толщина слоя порядка 10^-7 м, разность потенциалов порядка 10^-1В, его сопротивление очень велико. Он становится практически непроницаемым для перехо­да электронов в направлении п → р и дырок в направлении р → п. Поэтому этот пограничный слой называют запирающим слоем.

Выясним теперь, как проходит ток через кристалл с р-п пе­реходом. Включим его так, чтобы к р-полупроводнику был при­соединен положительный полюс источника постоянного тока, а к п -полупроводнику — отрицательный полюс (рис. 5). При этом внешнее поле Е противоположно полю запирающего слоя Е'.

В результате под действием внешнего поля электроны из за­пирающего слоя, а за ними и электроны из п -полупроводника, бу­дут перемещаться к положительному полюсу источника, а дырки — к отрицательному. Запирающий слой разрушится, а по цепи пойдет большой ток. Приложенное напряжение и ток называют прямыми или пропускными. Прямой ток быстро возрастает при увеличении напряжения (рис. 6).

Если р-п переход включить в обратной полярности (рис. 6), то внешнее поле Е будет направлено так же, как и поле запирающего

слоя. В результате запирающий слой сохранится, его со­противление возрастет. Основные носители через границу прой­ти не смогут. Однако для неосновных носителей создадутся бла­гоприятные условия для перехода через место контакта. Элек­троны пойдут по направлению р → п, а дырки — р → п. Одна­ко, т.к. концентрации неосновных носителей невелики, то будет получен слабый ток. Его называют обратным или запирающим током, так же как и приложенное напряжение.

Прямой ток оказался в 10⁴ / 10⁶ раз больше обратного то­ка. Это означает, что р-п переход обладает вентильной (одно­сторонней) проводимостью. Поэтому кристалл с р-п переходом называют полупроводниковым диодом и используют для выпря­мления переменного тока.

На рис. 7 показана вольт-амперная характеристика полупро­водникового диода, т.е. график зависимости тока от напряже­ния. Полупроводниковые диоды, а также другие полупроводни­ковые приборы, широко используются в современной электро­-радиотехнике.

Лекция № 27