§2.2. Примесные полупроводники.

Если в полупроводнике имеются примеси других веществ, то дополнительно к собственной электропроводности появляется еще примесная электропроводность, которая в зависимости от рода примеси может быть электронной или дырочной.

Примеси, обуславливающие электронную проводимость полупроводника, называются донорными, а дырочную – акцепторными.

В качестве донорных примесей используются элементы 5 группы периодической системы: фосфор, мышьяк и сурьма; в качестве акцепторных примесей применяются элементы 3 группы: бор, галлий и индий.

При внесении в полупроводник примеси некоторые атомы его кристаллической решетки заменяются атомами примеси. При наличии донорной примеси, например, мышьяка As (рис. 4), четыре его валентных электрона участвуют в образовании ковалентных связей. Пятый валентный электрон взаимодействует только с примесным атомом, поэтому он легко может покинуть атом мышьяка и перемещаться под воздействием внешнего электрического поля. При наличии определенного числа атомов примеси в полупроводнике образуется значительное количество свободных электронов. Проводимость, обусловленная движением свободных электронов, называется электронной проводимостью, а полупроводник с электронной проводимостью – полупроводником n-типа.

П ри внедрении в узел решетки атома трехвалентной примеси, например, индия In (рис. 5), для создания ковалентной связи одного электрона не хватает. Связь с четвертым атомом оказывается незаполненной, однако на нее сравнительно легко могут переходить валентные электроны с соседних связей, т. к. при этом энергия ионизации мала. На освободившееся место может перескочить в свою очередь другой электрон от следующего соседнего атома и т. д. Такое последовательное смещение электронов удобно рассматривать как движение ковалентной связи, называемой дыркой и обладающей положительным зарядом, нав

Рис. 5

стречу смещению электронов. Проводимость, обусловленная движением дырок, называется дырочной, а полупроводник с дырочной проводимостью – проводник p-типа.

На практике не удается получить полупроводники только с донорными или акцепторными примесями. Обычно в полупроводнике присутствуют свободные электроны и дырки.

Чтобы примесь существенно повлияла на характер проводимости полупроводника, концентрация примеси или должна быть на порядок или на несколько порядков больше собственной концентрации собственных носителей .

В полупроводнике n-типа число свободных электронов превышает число дырок, поэтому эти электроны называются основными носителями заряда, а дырки – неосновными. И наоборот, в полупроводнике p-типа дырки являются основными носителями, а электроны – неосновными носителями заряда.

§2.3. Электронно-дырочный переход.

Э лектронно-дырочный переход или p-n-переход является основой большинства полупроводниковых приборов. Этот переход образуется при контакте двух однородных полупроводников с разным типом проводимости. Получение p-n-перехода механическим способом представляет значительные трудности, поэтому на практике его получают, как правило, усовершенствованным диффузным методом, используя планарную (planer – плоский) технологию. В этом методе p-n-переход получают введением примеси p-типа в исходный материал n-типа путем диффузии с поверхности при высокой температуре, при этом возможен точный контроль распределения примеси и геометрии перехода.

Пусть симметричный p-n-переход образован кристаллами Si (или Ge) p- и n-типа с плоскостью контакта Х=0 (рис. 6а). симметричность p-n-перехода означает, что концентрация доноров в полупроводнике n-типа и концентрация акцепторов в полупроводнике p-типа равны, = . При комнатной температуре все примесные атомы ионизированы, поэтому концентрация электронов в полупроводнике n-типа , а концентрация дырок в полупроводнике p-типа . Следовательно . На (рис. 6б) представлено распределение концентрации носителей в p-n-переходе.

Из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении дырки, такой ток называется диффузионным . В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела полупроводников создаются объемные заряды различных знаков. Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле препятствует диффузии основных носителей. В p-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей (рис. 6в). Высота барьера равна контактной разности потенциалов и составляет десятые доли вольта.

О дновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит обратное перемещение неосновных носителей под действием контактной разности потенциалов, которое для них является ускоряющим. Это поле перемещает поле из n-области в p-области и электроны из p-области в n-область. Такое перемещение неосновных носителей под действием поля, представляет собой дрейф носителей ( ).

При динамическом равновесии перехода .

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение , как показано на рис. 7,а, p-n-переход смещается в прямом направлении, внутренне поле перехода уменьшается. Потенциальный барьер также уменьшается и равен , соответственно уменьшается сопротивление p-n-перехода, что эквивалентно уменьшению ширины обедненной области (запирающего слоя).

В результате в цепи потечет ток, вызванный дополнительным диффузионным движением носителей зарядов, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера. При толщина запирающего поля стремится к нулю и при дальнейшем увеличении , область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще. В результате электроны и дырки, являющиеся основными носителями в n- и p-областях, начинают свободно диффундировать в области с противоположным типом электропроводности, при этом . Через p-n-переход течет ток, который называется прямым.