4.3. Примеси и дефекты

Примеси и дефекты в структуре решетки полупроводника делятся на доноры и акцепторы. Доноры отдают избыточные электроны и создают таким образом электронную проводимость (n-типа). Акцепторы захватывают валентные электроны вещества, в результате чего создаются дырки и возникает дырочная проводимость (p-типа). Типичные примеры доноров – примесные атомы элементов V группы (P, As, Sb) в Ge и Si. Внедряясь в кристаллическую решетку, такой атом замещает в одной из ячеек атом Ge. При этом 4 и 5 его валентных электронов образуют с соседними Ge ковалентные связи, а 5-й электрон оказывается для данной решетки лишним. Не локализуясь ни на одной связи, он становится электроном проводимости. При этом примесный атом однократно положительно заряжен и притягивает электрон, что может привести к образованию связанного (слабо) состояния электрона с примесным ионом. Уже при температуре 77К большинство примесей ионизированы, т.е. в полупроводнике появляются электроны проводимости с концентрацией, определяемой концентрацией донорных примесей.

Аналогично атомы III группы (B, Al, Ga, In) – типичные акцепторы в Ge и Si. Захватывая один из валентных электроннов Ge в дополнение к своим 3-м валентным электронам, они образуют 4 ковалентные связи с ближайшими атомами Ge и превращаются в отрицательно заряженный ион. В месте захваченного электрона остается дырка, которая может быть удержана в окрестности акцепторного иона кулаковским притяжением к нему, однако на большом расстоянии и с очень малой энергией связи. Поэтому при не очень низких температурах эти дырки являются свободными носителями заряда.

4.4. Электронно-дырочный переход (p-n типа)

Электронно-дырочный переход (ЭДП) – это область полупроводника, в которой тип проводимости изменяется от электронной n к дырочной p. Так как в области p концентрация дырок гораздо выше, чем в n- области, дырки из p-области стремятся диффундировать в n-область, а электроны – в p-область.

Рис. 4.5. Схема p-n перехода: – электроны, – дырки

В результате образуется двойной слой пространственного заряда: отрицательные заряды в p-области и положительные – в n-области (рис. 4.5). Электрическое поле в работе p-n перехода противодействует дальнейшей диффузии основных носителей тока и постепенно полный ток носителей заряда через p-n переход уменьшается до нуля. В p-n переходе возникает динамическое равновесие токов. Небольшой ток, создаваемый неосновными носителями заряда (электронами из p-области и дырки из n-области), проходит через него под действием контактного потенциала p-n перехода, а равный по величине ток, создаваемый основными носителями (электронами из n-области и дырки из p-области), благодаря диффузии протекает через p-n переход в обратном направлении. При этом основным носителем приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникшая из контактного поля (высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Рассмотрим теперь ситуацию в p-n переходе, когда к нему приложено внешнее электрическое поле. Она нарушает сложившееся в p-n переходе равновесие проходящих через него токов.

Если положительный потенциал приложен к p-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер, и через p-n переход начинает протекать ток.

Приложение отрицательного потенциала к p-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через p-n переход становится пренебрежимо малой. В результате через p-n переход течет ток, который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения.

Рис. 4.6. Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Таким образом, зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения (вольт-амперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 4.6), т.е. проводимость p-n перехода сильно зависит от величины напряжения и знака. Благодаря этому p-n переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменного тока.

При подаче на p-n переход достаточно высокого обратного напряжения возникает электрический пробой, при котором через переход течет большой обратный ток.

Различают лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки, и туннельный (зинеровский) пробой, имеющий квантовый механизм.

От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и электрическая емкость p-n перехода.

Повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и p-областями полупроводника, отсюда и увеличение их объемных зарядов. Поскольку объемные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, рост объемного заряда может быть обусловлен только расширением его области и, следовательно, уменьшением его емкости.

При прямом смещении к емкости слоя объемного заряда добавляется так называемая диффузионная емкость. Она обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n переходе в прямом направлении приводит к росту концентрации основных и неосновных носителей, т.е. изменению заряда.

Зависимость емкости от приложенного напряжения позволяет использовать p-n переход в качестве параметрического диода (варактора) – прибора, емкостью которого можно управлять, меняя напряжение смещения.