Примесный полупроводник с электронной проводимостью (n-тип)

Электронная проводимость возникает, когда в кристалл германия, который имеет четыре валентных электрона, добавляются атомы мышьяка (As) (фосфор, сурьма и др.), который имеет пять валентных электронов (рис. 3).

Рис. 3. Атом мышьяка в решетке германия. Полупроводник n-типа.

Четыре валентных электрона атома мышьяка включены в образование ковалентных связей с четырьмя соседними атомами германия. Пятый валентный электрон оказывается излишним; он легко отрывается от атома мышьяка и становится свободным. Атом, потерявший электрон, превращается в положительный ион, расположенный в узле кристаллической решетки. При этом примесь, отдающая излишние электроны называется донорской примесью. Полупроводники с электронной проводимостью часто называют полупроводниками n-типа. В таком полупроводнике концентрация электронов намного больше концентрации дырок, . Электроны для полупроводника n-типа являются основными носителями свободных зарядов, а дырки – не основными носителями.

Примесный полупроводник с дырочной проводимостью (р-тип)

Дырочная проводимость возникает, когда в кристалл германия вводят примесь индия (In) (бор, алюминий и д.р.), который имеет три валентных электрона (рис. 4).

Рис. 4. Атом индия в решетке германия. Полупроводник p-типа.

Атом индия создает с помощью своих валентных электронов ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами германия. На образование связи с четвертым атомом германия у атома индия нет электрона. Этот недостающий электрон может быть захвачен атомом индия из ковалентной связи соседних атомов германия. В этом случае атом индия превращается в отрицательный ион, расположенный в узле кристаллической решетки, а в ковалентной связи соседних атомов образуется дырка. Такая примесь называется акцепторной примесью. В результате введения акцепторной примеси в кристалле разрывается множество ковалентных связей и образуются дырки. На эти места могут перескакивать электроны из соседних ковалентных связей, что приводит к хаотическому блужданию дырок по кристаллу. Полупроводники с дырочной проводимостью называют полупроводниками р-типа. Дырка для полупроводника р-типа является основным носителем, а электрон – неосновным.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход)

Электронно-дырочный переход является рабочим элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Электронно-дырочным (p-n) переходом называется тонкий приконтактный слой между двумя частями полупроводникового кристалла, одна из которых обладает электронной, а другая – дырочной проводимостью.

Для создания p-n-перехода используется единая пластинка полупроводника, на которой создаются полупроводники с электронной и дырочной проводимостью. Между p-слоем и n-слоем образуется резкая граница, в которой отсутствуют основные носители зарядов. Эта область называется p-n-переходом.

На рис. 5 показана структура p-n-перехода.

Рис. 5. Структура p-n-перехода

Положительные и отрицательные ионы неподвижны, т.к. находятся в узлах кристаллической решетки. Электроны и дырки являются подвижными носителями, поэтому в результате диффузии они проникают в соседний слой и взаимоуничтожаются друг с другом. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате, в области контакта p-слоя и n-слоя возникает область, в которой отсутствуют подвижные носители. Оставшиеся ионы создают разность потенциалов , которая препятствует движению основных носителей. Указанная разность потенциалов называется потенциальным барьером p-n-перехода (контактной разностью потенциалов).

где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; N_а, N_д – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; р_р, р_n – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; n_i – собственная концентрация.

Величина зависит от свойств и температуры полупроводника. При комнатной температуре для кремниевого p-n-перехода В. Число положительных и отрицательных ионов внутри p-n-перехода равно, поэтому он является электрически нейтральным.

Отметим, что в одном слое основных носителей намного больше, чем в другом. Технологически удобнее внедрять акцепторную примесь, поэтому в p-слое дырок намного больше (в 100 – 1000 раз), чем в n-слое. В связи с этим p-n-переход по большей части находится в n-слое.

Если к переходу приложить внешнее напряжение «+» к p-слою, а «-» к n-слою, то это напряжение будет действовать против потенциала . В этом случае говорят, что к переходу приложено прямое напряжение. Если величина прямого напряжения больше , то потенциальный барьер исчезает и основные носители проходят через p-n-переход, который находится в прямом включении. Если к переходу приложить внешнее напряжение «-» к p-слою, а «+» к n-слою, то внешнее напряжение будет действовать в направлении , увеличивая потенциальный барьер p-n-перехода. Говорят, что переход находится в обратном включении, и в этом случае внешнее напряжение называется обратным напряжением. Обратное напряжение увеличивает ширину p-n-перехода, как бы отталкивая подвижные носители. Через закрытый переход течет небольшой тепловой ток ( ), обусловленный неосновными носителями зарядов.

Описанные процессы в p-n-переходе реализованы в реально существующем элементе – полупроводниковый диод.