Общие сведения. Внедрение в кристаллическую решётку четырёхвалентного полупроводника кремния или германия атома пятивалентного элемента

Внедрение в кристаллическую решётку четырёхвалентного полупроводника кремния или германия атома пятивалентного элемента, например, мышьяка (As), ведет к тому, что четыре электрона атома примеси образуют ковалентную связь с атомами полупроводника, а один “лишний” электрон легко отрывается и становится электроном проводимости. Полученная проводимость называется проводимостью n-типа, концентрация электронов проводимости значительно больше, чем концентрация дырок.

Наличие в кристаллической решётке примеси трёхвалентного элемента, например индия (In), приводит к появлению неполных валентных связей, заполнение которых за счёт миграций электронов от атома к атому приводит к образованию дырок. Проводимость в этом случае называется проводимостью p-типа, концентрация дырок значительно больше, чем концентрация электронов проводимости.

Контакт полупроводников разного типа, называемый р–n- переходом, лежит в основе полупроводниковых диодов и ряда других полупроводниковых приборов.

Тепловое движение и различие концентраций носителей заряда в полупроводниках разного типа обеспечивают диффузию электронов из n-области в р-область и, наоборот, диффузию дырок из p-области в n-область. В результате рекомбинации (слияния) электронов и дырок приконтактная область в n-полупроводнике обедняется свободными электронами и заряжается положительно, а в р-полупроводнике соответственно отрицательно, что ведет к появлению запирающего электрического поля (рисунок 1), направленного из n-области в р-область. Это поле создает встречное направленное движение неосновных носителей заряда. При отсутствии внешнего электрического поля ток основных зарядов компенсируется током неосновных .

Рисунок 1 Электрическое поле в области контакта

полупроводников и типа при отсутствии внешнего

напряжения

Приложим к рассмотренному переходу разность потенциалов: положительный полюс источника тока к полупроводнику, а отрицательный к полупроводнику (рисунок 2). В этом случае напряжённость внешнего электрического поля будет направлена противоположно напряженности запирающего поля и величина потенциального барьера уменьшается. Это обеспечивает движение основных носителей заряда через переход и их рекомбинацию в приконтактном слое. Ток, созданный движением основных носителей (прямой ток), будет больше чем ток, созданный движением неосновных .

Рисунок 2 Электрическое поле в области контакта

полупроводников и типа при прямом включении

перехода

Если изменить полярность приложенной к переходу разности потенциалов (рисунок 3), то направление напряжённости внешнего поля будет совпадать с направлением напряжённости запирающего поля , величина потенциального барьера возрастет, суммарное электрическое поле в переходе будет еще сильнее препятствовать движению основных носителей заряда через переход и способствовать движению неосновных. В результате электрический ток основных носителей заряда будет пренебрежимо мал, ток через переход будет создаваться только движением неосновных носителей заряда (обратный ток), количество которых определяется скоростью их образования. Величина его будет очень мала.

Рисунок 3 Электрическое поле в области контакта

полупроводников и типа при обратном включении перехода

Напряженность обратного электрического поля в - переходе, которое могут выдерживать полупроводники без пробоя и разрушения достигает 10⁸ В/м (до 100 вольт на микрон).

Зависимость тока через р–n ─ перехода от напряжения, приложенного к р–n ─ переходу, называется вольтамперной характеристикой р–n ─ перехода, примерный график которой приведен на рисунке 4.

Рисунок 4 Вольтамперная характеристика полупроводникового диода: 1 – прямой ток; 2 – обратный ток; - напряжение пробоя

Коэффициентом выпрямления диода k называется отношение прямого тока к обратному току при одинаковых по величине прямом и обратном напряжениях.