2.1.2 Примесная проводимость полупроводников

Для изготовления полупроводниковых приборов необходимо иметь полупроводник с явно выраженной проводимостью одного типа. Это достигается введением в полупроводник атомов других веществ — примесей. Примеси, вызывающие увеличение свободных электронов, называют донорными, а примеси, вызывающие увеличение дырок, акцепторными.

Если в кристалл германия ввести пятивалентный атом мышьяка, то пятый валентный электрон окажется не связанным ковалентной связью, то есть станет избыточным. Дырка при этом не образуется, так как все ковалентные связи сохраняются. Полученный полупроводник с избытком свободных электронов называется полупроводником n-типа.

Если в кристалл германия ввести трёхвалентный атом индия, то это приведёт к избытку дырок над свободными электронами. Полученный полупроводник с избытком дырок называется полупроводником p-типа. Ковалентные связи в кристалле германия не будут полностью завершены, и образовавшиеся дырки начнут передвигаться по кристаллу, создавая дырочную проводимость.

Электроны в полупроводниках n-типа и дырки в полупроводниках p-типа принято называть основными носителями, а небольшое количество дырок в полупроводниках n-типа и электронов в полупроводниках p-типа принято называть не основными носителями

2.1.3 Электронно-дырочный переход

Область на границе двух соединенных вместе полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом или p-n-переходом. Явления, происходящие в области p-n-перехода, лежат в основе работы большинства полупроводниковых приборов и в первую очередь диодов. На рисунке 2.2 приведена пластина германия, одна часть которой (n) содержит донорную примесь, а другая (p) — акцепторную. При отсутствии внешнего электрического поля (напряжения) основные носители заряда диффундируют через p-n-переход. Концентрация электронов в полупроводнике n-типа больше чем в полупроводнике p-типа и поэтому электроны диффундируют в p-область, заряжая пограничный слой в этой области отрицательно. Пограничный слой полупроводника p-типа, потеряв электроны, заряжается положительно. Аналогично дырки из p-области диффундируют в n-область и в пограничном слое образуют дополнительные заряды той же самой полярности.

Возникшие таким образом пространственные заряды создают в области p-n-перехода электрическое поле, препятствующее диффузии основных носителей заряда. Поэтому электрическое поле Δφ принято называть потенциальным барьером. Высота этого барьера характеризуется разностью потенциалов между электронным и дырочным слоями, возникшей вследствие наличия в них пространственных зарядов.

Обеднение области p-n-перехода основными носителями заряда приводит к тому, что эта область становится зоной повышенного сопротивления, и поэтому p-n-переход часто называют запирающим слоем. При комнатной температуре некоторое количество основных носителей заряда получает достаточное количество энергии, для того чтобы преодолеть потенциальный барьер. Это приводит к тому, что через p-n-переход диффундирует незначительное количество электронов и дырок, образуя соответственно электронную и дырочную составляющие диффузионного тока. Кроме того, через p-n-переход беспрепятственно проходят не основные носители заряда, для которых электрическое поле p-n-перехода является ускоряющим. Эти заряды образуют соответственно электронную и дырочную составляющие дрейфового тока.

Рисунок 2.2 — Электронно-дырочный переход

На рисунке 2.2 приняты следующие обозначения: — пространственная плотность зарядов; — потенциал; — разность потенциалов

При постоянных внешних воздействующих факторах в полупроводнике устанавливается динамическое равновесие, при котором сумма диффузионного и дрейфового тока равна нулю:

.

Если к p-n-переходу подключить внешний источник напряжения плюсом к контакту A и минусом к контакту K (прямое включение), то напряжение источника питания будет противоположно по знаку электрическому полю p-n-перехода. Действие запирающего слоя ослабится, потенциальный барьер снизится, и диффузионный ток увеличится. При обратном включении внешнего источника напряжения картина резко изменится. Свободные электроны и дырки будут отходить от границы p-n-перехода, образуя область свободную от электронов и дырок, и ток через p-n-переход не пойдёт. Реально через p-n-переход будет протекать очень небольшой ток, обусловленный наличием в n-слое не основных носителей заряда — дырок и в p-слое электронов. Так как этот ток очень мал, то можно считать, что полупроводник с p-n-переходом обладает односторонней проводимостью электрического тока.