3. Примесная проводимость

В полупроводниках, содержащих примесь, электропроводимость слагается из собственной и примесной. Наличие в полупроводнике примеси существенно изменяет его проводимость. Например, при введении в кремний примерно 0,001 ат.% бора его проводимость увеличивается примерно в 10⁶ раз.

Введение примеси искажает поле решетки, что приводит к возникновению в запрещенной зоне энергетического уровня D валентных электронов, называемого примесным уровнем. Так как DE_D<kT, то уже при обычных температурах энергия теплового движения достаточна для того, чтобы перебросить электроны примесного уровня в зону проводимости; образующиеся при этом положительные заряды локализуются на неподвижных атомах примеси и в проводимости не участвуют.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу больше валентности основных атомов, носителями тока являются электроны; воз­никает электронная примесная проводимость (проводимость n-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются электронными (или полупроводниками n-типа). Примеси, являющиеся источником электронов, называются донорами, а энергетические уровни этих примесей — донорными уровнями.

Введение трехвалентной примеси в решетку кремния приводит к возникновению в запрещенной зоне примесного энергетического уровня А, не занято­го электронами. Близость этих уровней к валентной зоне приводит к тому, что уже при сравнительно низких температурах электроны из валентной зоны переходят на примесные уровни и, связываясь с атомами бора, теряют способность перемещаться по решетке кремния, т. е. в проводимости не участвуют. Носителями тока являются лишь дырки, возникающие в валентной зоне.

Таким образом, в полупроводниках с примесью, валентность которой на единицу меньше валентности основных атомов, носителями тока являются дырки; возникает дырочная проводимость (проворность p-типа). Полупроводники с такой проводимостью называются дырочными (или полупроводниками p-типа). Примеси, захватывающие электроны из валентной зоны полупроводника, называются акцепторами, а энергетические уровни этих примесей — акцепторными уровнями.

С изменением тем­пературы подвижность носителей меняется по сравнительно слабому степенному зако­ну, а концентрация носителей — по очень сильному экспоненциальному закону, поэто­му проводимость примесных полупроводников от температуры определяется в основ­ном температурной зависимостью концентрации носителей тока в нем.

4. p-n – переход, прямое включение

Если на p-n-переход подать внешнее напряжение u, то равновесие ме­жду диффузионными и дрейфовыми потоками в переходе нарушится и че­рез всю структуру будет протекать ток I = J_диф – J_пров.

При прямом напряжении (u > 0) уменьшение потенциаль­ного барьера приводит к преобладанию диффузионного потока электронов из эмиттера в базу над дрейфовым потоком электронов из базы в эмиттер.

Таким образом, инжекция  электронов в базу при­водит к появлению неравновесных носителей в базе Δn(х_р) = n(x_р) – n_р.

Поэтому распределение избыточных концентраций электронов и дырок в базе одинаково, так что в любом сечении сохраняется квазинейт­раль­ность Δn(х) = Δp(x

Таким образом, три процесса определяют распределение неравновес­ной концентрации в базе p-n-перехода при прямом напряжении:

– инжекция – вызывает увеличение граничной концентрации n(x_p), т. е. приводит к появлению неравновесных носителей заряда в базе;

– диффузия – является причиной движения электронов через базу;

– рекомбинация – приводит к уменьшению неравновесной концентрации в базе вдали от p-n-перехода.

5. p-n – переход, обратное включение

При обратном напряжении и < 0 на p-n-переходе потенциальный барьер для электронов увеличивается до величины φ_k+|u| ; p-n-переход расширя­ется . При этом электроны вытягиваются из базы. Процесс вытягивания электронов из базы обратно смещенным p-n-перехо­дом называется экстракцией.

Три процесса определяют обратный ток p-n-перехода:

– экстракция электронов из базы, вызывающая уменьшение n(х_р) и возник­новение Δn(х);

– диффузия электронов из глубины базы к границе перехода x_р;

– генерация пар электрон – дырка в областях, где n(х) < n_р.

Процесс генерации приводит к нарушению электронейтральности базы, так как генерированные электроны удаляются из базы путем экстракции. Восстановление электронейтральности базы происходит за счёт ухода «лишних» дырок через внешний контакт. Так же как и при прямом напря­жении Δn(х) =Δp (x) в любом сечении базы. Распределение концентрации электронов при прямом и обратном напряжении приведено на рис. 2.2, в, л.