33.5. Домішкова провідність напівпровідників

Електропровідність напівпровідників може бути обумовлена як власними електронами атомів даної речовини (власна провідність), так і електронами домішкових атомів (домішкова провідність). Домішки діляться на донори й акцептори.

Донори створюють електронну провідність (провідність n-типу) і мають валентність більшу, ніж валентність основних атомів напівпровідника. Типовими прикладами донорів є п’ятивалентні атоми елементів V групи (P, As, Sb) у кристалах чотирьохвалентного германія або кремнія. При цьому чотири з п'яти електронів донора утворюють із сусідніми атомами германія ковалентні зв'язки, а п'ятий електрон виявляється «зайвим» і може легко перейти в зону провідності.

Рис. 33.9

На рис. 33.9 показана зонна схема для кристала германія з домішкою фосфору. Оскільки число домішкових атомів невелике і вони не взаємодіють між собою, їх рівні енергії залишаються дискретними, не розщеплюючись в енергетичну зону. Як видно з рис. 33.9, рівень енергії, що відповідає п'ятому непарному електрону фосфору, лежить у забороненій зоні поблизу від дна зони провідності (W_д ~ 0,01еВ). Тому вже при кімнатній температурі електрон може легко перейти із цього рівня в зону провідності, стаючи носієм електричного струму. Виникаюча (після відриву електрона від атома фосфору) дірка локалізована на рівні донора й не може брати участь електропровідності. У той же час при кімнатній температурі перехід електронів з валентної зони в зону провідності утруднений, оскільки ширина заборонної зони W  W_д. У результаті створюється провідність n-типу.

Акцепторні домішки мають валентність на одиницю меншу, ніж атоми кристала і створюють діркову провідність (провідність p-типу). Акцепторами є атоми третьої групи (B, Al, Ga, In) у германію та кремнію. У акцептора на зовнішній оболонці розміщено три електрони. Захоплюючи один з електронів сусіднього атома германію, атом акцептора доповнює зовнішню оболонку до чотирьох електронів і утворює чотири ковалентні зв'язки з атомами германію. На місці захопленого електрона утворюється дірка, що може легко перейти до іншого сусіднього атома германію і таким чином переміщатися по кристалу, стаючи носієм електричного струму. У той же час електрон, захоплений акцептором, залишається локалізованим і в електропровідності не бере участі. На зонній схемі такий процес означає перехід електронів з валентної зони на рівні акцептора, які розташовані поблизу стелі валентної зони. У валентній зоні утворяться дірки, які й створюють провідність p-типу (рис. 33.10).

Рис. 33.10

Зауважимо, що в домішкових напівпровідників поряд з основними носіями струму (електронами — у напівпровідників n-типу і дірками — у напівпровідників p-типу) є також невелика кількість неосновних носіїв, що виникають за рахунок переходів електронів з валентної зони в зону провідності. У напівпровідників n-типу неосновними носіями є дірки, у напівпровідників p-типу — електрони. Внесок неосновних носіїв у загальну провідність домішкових напівпровідників через їхню малу концентрацію при кімнатних температурах неістотний, але їх роль поступово зростає в міру підвищення температури.

33.6. p-n перехід

На границі контакту напівпровідників p- і n-типу виникає особлива область, що її називають p-n переходом. Розглянемо фізичні процеси, що протікають в p-n переході. До приведення напівпровідників p- і n-типу в електричний контакт їх рівні Фермі були різні (рис. 33.11, а). При утворенні контакту електрони з n-напівпровідника, де їх концентрація вища, дифундують в область напівпровідника p-типу, створюючи тут надлишковий негативний заряд. І навпаки, дірки з напівпровідника p-типу проникають в область напівпровідника n-типу, створюючи тут надлишковий позитивний заряд (рис. 33.11, б).

Рис. 33.11

На границі напівпровідників утворюється подвійний електричний шар, що перешкоджає подальшому перерозподілу зарядів. Рівновага досягається в момент, коли рівні Фермі напівпровідників p- і n-типу зрівняються. При цьому в перехідному шарі зони викривляються і виникає потенціальний бар'єр висотою e_k, де _k — контактна різниця потенціалів, що перешкоджає переходу основних носіїв струму з одного напівпровідника в іншій.

Концентрація електронів, що проникнули в p-напівпровідник,

,

де n₀ — концентрація електронів в n-напівпровіднику.

Аналогічно може бути знайдена концентрація дірок, що проникнули в напівпровідник n-типу.

Потік основних носіїв струму через p-n перехід являє собою дифузійний струм I_диф.

Одночасно з рухом основних носіїв через p-n перехід виникає рух неосновних носіїв (електрони переходять із напівпровідника p-типу в напівпровідника n-типу, а дірки в протилежному напрямку). Неосновні носії заряду не зустрічають потенціального бар'єра в області p-n переходу, навпаки: якщо завдяки тепловому руху неосновний носій струму попадає в область p-n переходу, то електричне поле в ньому сприяє його руху з одного напівпровідника в іншій. Потік неосновних носіїв через p-n перехід створює дрейфовий струм I_др. В умовах рівноваги результуючий струм через p-n перехід дорівнює нулю I = I_диф + I_др = 0.

Зовнішня напруга, прикладена до p-n переходу, порушує ця рівновагу, і, отже, результуючий струм у цьому випадку не буде дорівнює нулю: I0. При цьому слід пам’ятати, що рівновага порушується, насамперед, за рахунок дифузійного струму, у той час як дрейфовий струм залишається практично без змін, тобто не залежить від значення та знаку прикладеної напруги. Розглянемо це питання докладніше.

Рис.33.12

Нехай до p-n переходу прикладена напруга U у напрямку, що збігається з контактною різницею потенціалів («+» — до n-напівпровідника, «–» — до p-напівпровідника – рис.33.12, а). Така напруга називається запираючою. Висота бар'єра зростає і стає рівною e(_k+U) — рис. 33.11, в. У результаті концентрація основних носіїв в області p-n переходу зменшується:

,

що приводить до різкого зменшення дифузійного струму. Зі збільшенням зворотної напруги U дифузійний струм I_диф0 і через p-n перехід протікає тільки дрейфовий струм. Цей струм при кімнатній температурі дуже малий, оскільки він обумовлений концентрацією неосновних носіїв струму.

Інша ситуація виникає, коли зовнішня напруга спрямована назустріч контактної різниці потенціалів – рис.33.12, б. У цьому випадку потенціальний бар'єр зменшується й стає рівним e(_k-U) (рис. 33.11, г). Відповідно концентрація основних носіїв струму в перехідному шарі зростає:

,

Отже, у цьому напрямку, який називається прямим, сила струму з ростом напруги буде зростати експоненціально.

З врахуванням того, що звичайно , залежність сили струму через p-n перехід від прикладеної напруги (вольт-амперна характеристика) описується формулою

.

(33.5)

У запираючому напрямку в показнику експоненти вибираємо знак “-“ а в пропускному “+“.

Рис. 33.13

Відповідно до (33.5) вольт-амперна характеристика p-n переходу має вигляд, показаний на рис. 33.13. В запираючому напрямку сила струму значно менша в порівнянні з пропускним. Отже, p-n перехід має односторонню провідність Слід зазначити, що при значних напругах, прикладених у запираючому напрямку, сила струму різко зростає (ділянка AB), що зв'язано а пробоєм p-n переходу..