Для того чтобы изменить проводимость полупроводников, их специально загрязняют примесями – атомами химических элементов с другим значением валентности. Примеси с меньшим количеством валентных электронов, чем у полупроводника, называются акцепторами. Примеси с большей валентностью – донорами. Сам этот процесс называется легированием полупроводников. Примерное соотношение - один атом примеси на миллион атомов полупроводника.
Типы проводимости полупроводников. Электронная проводимость. Добавим в полупроводник кремния пятивалентный атом мышьяка (As). Посредством четырех валентных электронов, мышьяк установит ковалентные связи c четырьмя соседними атомами кремния. Для пятого валентного электрона не останется пары, и он станет слабосвязанным с атомом. Под действием электромагнитного поля, такой электрон легко отрывается, и вовлекается в упорядоченное движение заряженных частиц (электрический ток). Атом, потерявший электрон, превращается в положительно заряженный ион с наличием свободной вакансии электрона – дырку.
Несмотря на присутствие дырок в полупроводнике кремния с примесью мышьяка, основными носителями свободного заряда являются электроны. Такая проводимость называется электронной, а полупроводник с электронной проводимостью - полупроводником N-типа.
В отличие от проводников, в полупроводниках всегда есть носители двух типов: электроны и дырки и соотношение между ними, как правило, не равнозначное.
Дырочная проводимость. Введем в кристалл кремния трехвалентный атом индия (In). Индий установит ковалентные связи лишь с тремя соседними атомами кремния. Для четвертого «соседа», у индия не хватает одного электрона - образуется вакансия (дырка). На это место может перескочить электрон из соседней ковалентной связи, а на месте электрона образуется дырка. В результате получается хаотическое блуждание дырок по кристаллу. Если поместить полупроводник в электромагнитное поле, движение дырок станет упорядоченным, т.е. возникнет электрический ток. Таким образом, обеспечивается дырочная проводимость. Полупроводник с дырочной проводимостью называется полупроводником P-типа.
P-N –переход. Соединив вместе материалы P-типа и N-типа на межатомное расстояние, на их стыке мы получим область электронно-дырочного перехода (P-N -перехода). Происходящие внутри P-N-перехода физические процессы между электронами и дырками легли в основу принципа работы полупроводниковых приборов.
В полупроводнике p -типа, который получается посредством акцепторной примеси, концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n -типа, который получается посредством донорной примеси, концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. При установлении контакта возникнет диффузионный ток — основные носители заряда (электроны и дырки) хаотично перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше, и рекомбинируют друг с другом. Как следствие, вблизи границы между областями практически не будет свободных (подвижных) основных носителей заряда, но останутся ионы примесей с некомпенсированными зарядами (рис.4 а).
В области n возникает положительный объемный заряд, который образован положительно заряженными атомами акцепторной примеси. Подобно этому, в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами донорной примеси. Между образовавшимися объемными зарядами возникают контактная разность потенциалов: uK = φn - φp и электрическое поле, направленное от n - области к p – области (от положительных зарядов в n-области к отрицательным зарядам в p-области). Контактная разность потенциалов зависит от материала полупроводников, степени легирования и температуры.
В p-n - переходе возникает потенциальный барьер, который препятствует диффузии основных носителей зарядов. При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.
Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p-n - перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей uK = 0,3 - 0,4 В и d = 10-4 - 10-5 см, а при больших концентрациях - uК ≈ 0,7 В и d = 10-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.
Ток, возникающий в результате диффузии носителей из области, где их концентрация повышена, в направлении области с более низкой концентрацией, называется диффузным током. Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение неосновных носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение неосновных носителей зарядов называется дрейфовым. При отсутствии внешнего электрического поля через p-n - переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p-n - переход равен нулю Iдр.= Iдиф.
Рисунок 4 а) б)
Если к p-n - переходу приложено внешнее прямое напряжение Uпр, то создаваемое им внешнее электрическое поле Eпр оказывается направленным навстречу электрическому полю контактной разности потенциалов -Eк p-n - перехода. В результате этого высота потенциального барьера понижается на величину внешнего напряжения. Уменьшается толщина запирающего слоя (dпр < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым (Rпр<< R0), возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей зарядов может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит от числа неосновных носителей.
Рисунок 5 Рисунок 6
При прямом напряжении Iдиф > Iдр и поэтому полный ток через переход уже не равен нулю:
Iпр = Iдиф − Iдр > 0.
Введение основных носителей зарядов через p-n - переход при действии прямого внешнего напряжения в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией.
Под действием обратного напряжения Uобр через переход протекает очень небольшой обратный ток Iобр. Поле, создаваемое обратным напряжением Eобр, складывается с полем контактной разности потенциалов Eк. В результате этого потенциальный барьер повышается, а толщина самого запирающего слоя увеличивается (dобр > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т.е. Rобр >> Rпр.
Внешнее поле оттягивает основные носители зарядов от p-n - перехода. Перемещение свободных носителей зарядов через p-n-переход уменьшается, и при обратном напряжении, равном Uобр = 0,2В, ток диффузии через переход прекращается, т.е. Iдиф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления потенциального барьера.
Однако, неосновные носители будут перемещаться через p-n - переход, создавая ток, протекающий из n-области в p - область (обратный ток Iобр). Он является дрейфовым током (током проводимости) неосновных носителей через p-n - переход. Значительное электрическое поле, создаваемое обратным напряжением, перебрасывает через p-n - переход любой неосновной носитель заряда, появившийся в этом поле. Выведение неосновных носителей через p-n - переход электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей зарядов.
Таким образом, p-n - переход пропускает ток в одном направлении - прямом, при превышении контактной разности потенциалов, и не пропускает ток в другом направлении - обратном, что определяет вентильные свойства p-n - перехода.