5.1.3.5.3. Примесная проводимость полупроводников

Введём в кристалл четырёхвалентного кремния (Si) некоторое количество пятивалентного мышьяка (As). Четыре валентных электрона атома As образуют связи с соседними атомами Si, а пятый электрон несвязан. Энергия, необходимая для его отрыва от атома, мала и он может стать свободным. Дырок при этом не образуется.

Донорная примесь – примесь, создающая в п/п свободные электроны.

Электронная проводимость – проводимость п/п, содержащего донорные примеси.

• П/п электронной проводимости часто называют п/п n-типа (negativ – отрицательный). Они имеют свободные электроны и положительные ионы примеси.

Если в кристалле четырехвалентного Si часть атомов замещена трехвалентными атомами (например, индия In), то атом примеси образует связи лишь с тремя соседними атомами. Недостающий четвертый электрон атом In захватывает у соседнего атома Si. При этом образуется «вакантное место» – дырка, которая может передвигаться и создавать электрический ток.

Акцепторная примесь – примесь, создающая в п/п дырки.

Дырочная проводимость – проводимость п/п, содержащего акцепторные примеси.

• П/п дырочной проводимости часто называют п/п p-типа (positiv – положительный). Они имеют дырки и отрицательные ионы примеси.

5.1.3.5.4. Электронно-дырочный переход

Изолированный кристалл p- или n-типа электрически нейтрален. Количество дырок (свободных электронов) в нём строго равно количеству отрицательных (положительных) ионов, в узлах кристаллической решётки.

Приведём кристаллы p- и n-типа в плотный контакт (получим p-n-переход). При этом происходит следующее:

1) начинается диффузия носителей зарядов: электроны из n-области переходят в p-область, дырки – из p-области в n-область;

2) при встрече электроны и дырки рекомбинируют. При этом в граничной зоне p-области скапливается отрицательный заряд ионов примеси, в граничной зоне n-области – положительный заряд ионов примеси;

3) заряды в граничной зоне р- и n-областей создают внутреннее поле , причём, чем шире граничная зона, тем больше заряды в ней и выше ;

4) при достижении своего максимального значения движение носителей (диффузионный ток) прекращается.

5.1.3.5.5. Свойства электронно-дырочного перехода

Если ширина граничной зоны p-n-перехода L, а напряжённость внутреннего поля , то в граничной зоне существует разность потенциалов. .

К р-n-переходу можно подключить источник напряжения U одним из двух способов: а) прямое включение; б) обратное включение.

А. Прямое включение:

В р-n-переходе создаётся внешнее поле , тогда результирующее поле: , или . Если или , то поле Е внутри р-n-перехода будет вызывать прохождение тока, уменьшение граничной зоны и рассасывание её связанного заряда. При этом дырки движутся из р- в n-область, электроны – обратно.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-n-перехода при прямом включении имеет вид:

U_пор – напряжение, при котором через р-n-переход начинает протекать ток (пороговое). U_пор = 0,2–0,8 В.

Б. Обратное включение:

В р-n-переходе создаётся результирующее поле , или Е = Е_вн + + Е_внеш, ток не протекает, граничная зона расширяется, её связанный заряд растёт. При определённом значении U_внеш = U_пробоя р-n-переход начинает проводить ток (ток пробоя), при этом из р-области вырываются электроны, из n-области – дырки.

В большинстве случаев при пробое р-n-переход разрушается. Таким образом, полная ВАХ р-n-перехода имеет вид:

Из ВАХ р-n-перехода видно, что на его основе можно изготовить прибор, пропускающий ток только в одном направлении.