Электротехника и электроника

1. Чистые и примесные полупроводники, формирование p-n перехода.

В атоме германия и кремния внешняя электронная оболочка образована четырьмя электронами. Каждый из этих электронов образует с четырьмя соседними атомами парноэлектронные, или ковалентные связи.

Эти связи образуются двумя электронами, каждый из которых принадлежит одному из соседних атомов и поэтому являются весьма устойчивыми. Такая пара электронов жестко связана со своей парой атомов и не может свободно перемещаться в объеме полупроводника. Поскольку в идеальном полупроводнике все валентные электроны входят в парноэлектронные связи, то в нем не должно бы быть свободных носителей заряда. Полупроводник с идеальной структурой, да еще находящийся при температуре, близкой к абсолютному нулю, должен быть хорошим диэлектриком.

Введение примеси в чистый полупроводник увеличивает его электрическую проводимость. Это позволяет создавать полупроводники либо с электронной, либо с дырочной электропроводностью. Различают полупроводники n-типа (электронные) и p-типа (дырочные).

Полупроводник с электропроводностью n-типа образуется тогда, когда в чистый полупроводник вводят примесь, создающую в кристалле полупроводника только свободные электроны. Вводимая примесь является "поставщиком" электронов, в связи с чем ее называют донорной. Донорной примесью для кремния и германия являются сурьма, фосфор, мышьяк, атомы которых имеют пять валентных электронов.

Внесение такой примеси в кристалл приводит к тому, что в отдельных узлах кристаллической решетки атомы примеси замещают атомы исходного полупроводника. Пятый (избыточный) электрон, не участвующий в ковалентной связи, оказывается значительно слабее связанным со своим атомом. При этом энергии фонона даже при комнатной температуре может оказаться достаточной для того, чтобы избыточный электрон покинул атом и стал свободным, а атом примеси превратился бы в положительный ион, т.е. произошла бы ионизация атома примеси.

Аналогично можно рассмотреть введение акцепторной примеси, которая электроны, наоборот, забирает, образуя в исходном полупроводнике большее количество дырок. Акцепторами являются индий, галий, алюминий, бор, атомы которых имеют по три валентных электрона.

Представим, что некоторый объем монокристаллического полупроводника разделен на две области p и n, каждая из которых является однородной, но противоположной по знаку электропроводности. В германиевых и кремниевых диодах двухслойная p-n структура создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой -донорной примеси. На практике наибольшее распространение получили p-n структуры с неодинаковой концентрацией акцепторной Nа и донорной Nд примесей. Типичными являются структуры с N_а>>N_д (p_р>>n_n).

Физическая картина возникновения p-n перехода у границы раздела электронной и дырочной областей германия может быть представлена так: концентрации электронов и дырок по обеим сторонам границы раздела сильно различаются. Электроны стремятся проникнуть в дырочную область, где их концентрация значительно меньше. Дырки в свою очередь перемещаются из дырочной области в электронную. Встречное движение противоположных по знаку зарядов представляет собой диффузионный ток. Дырки, вошедшие в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в p-область, рекомбинируют с дырками p-области. Таким образом, вследствие ухода основных носителей заряда из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака концентрация основных носителей заряда в обеих приграничных областях снижается.

Однако, как упоминалось выше, снижение концентрации носителей заряда одного знака сопровождается повышением концентрации носителей другого знака. Поэтому в p-области повышается концентрация электронов, а в n-области повышается концентрация дырок.

Главной же особенностью p-n перехода является возникновение в приграничных областях неподвижных объемных зарядов. Объемные заряды создаются ионами атомов примесей. При уходе дырок из p-слоя в нем остаются неподвижные отрицательные ионы акцепторных атомов примеси. Соответственно уход электронов из n-слоя сопровождается появлением неподвижных положительных ионов донорных атомов примеси. Эти ионы и создают объемный заряд, а уже он создает электрическое поле (Е) и разность потенциалов .

Полученный таким образом p-n переход обладает уникальным свойством - односторонней проводимостью, которая наблюдается при подаче внешнего напряжения строго определенной полярности: «+» к p - области и «-» к n - области.