Акцепторные примеси

Если при выращивании монокристалла германия в расплав добавить некоторое количество трехвалентных атомов, напри­мер, индия или галлия, то при образовании кристалла атомы примеси вытеснят из своих мест отдельные атомы германия. При замещении в кристаллической решетке атома германия атомом примеси, имеющим три валентных электрона, три связи атома примеси с атомами германия окажутся заполнен­ными, а одна связь четвертого атома германия (соседа атома примеси) — незаполненной. Следовательно, в решетке образу­ется дырка (рис. 5). Каждый атом трехвалентной примеси образует в кристалле полупроводника одну дырку.

Рис. 5

Такого рода примеси называются акцепторными (принимающими).

Под действием электрического поля дырки перемещаются в направлении вектора напряженности поля, и в полупровод­нике возникает дырочная примесная проводи­мость. Полупроводники с преобладанием дырочной прово­димости над электронной называются полупроводниками р-типа. В полупроводнике р -типа основными носи­телями заряда являются дырки, а неосновными — элект­роны.

Если в полупроводник одновременно вводятся и донорные и акцепторные примеси, то характер проводимости полупро­водника (n - или р -тип) определяется примесью с более высо­кой концентрацией носителей заряда — электронов или ды­рок.

Задание

1. Чем объяснить, что собственная проводимость чистых полупроводников невелика? Как можно значительно повысить эту проводимость?

2. Выполните схематический рис. 4. Объясните, почему при добавлении атомов мышьяка резко увеличивается число свободных электронов. Как называются такие примеси? Как называется такая проводимость? Как называются такие полупроводники?

3. Выполните схематический рис. 5. Что происходит при добавлении в расплав полупроводника трехвалентных атомов? Как называются такие примеси? Как называется такая проводимость? Как называются такие полупроводники?

4. Как определяется характер полупроводника при добавлении донорных и акцепторных примесей?

4. Электронно-дырочный переход (n–р -переход)

Особый практический интерес представляют явления на границе раздела полупроводников с n - и р -проводимоcтями. При этом образуется так называемый электронно-дырочный (n–р) переход.

При контакте двух полупроводников с различными типами проводимости вследствие теплового движения происходит вза­имная диффузия носителей заряда через границу соприкосно­вения (контакт) полупроводников. Электроны из n -области, где они являются основными носителями заряда, переходят в р -область, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки переходят из р -области в n -область. Поэтому n -область вблизи границы раздела оказывается заряженной положительно, а р -область — отрицательно (рис. 6, а); n -об­ласть приобретает положительный потенциал, и энергия электрона в ней оказывается меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал р -области сделается отрицатель­ным, и энергия электрона в ней увеличится. Кривая распреде­ления потенциальной энергии электронов W_э имеет вид, пока­занный на рисунке 6, б сплошной линией. Напротив, энер­гия положительных дырок W_д больше в n -области и меньше в р -области (штриховая кривая на том же рисунке).

В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полная сила тока через электрон­но-дырочный переход равна нулю. Объясняется это следую­щим образом. Из рисунка 6 видно, что контактное элект­рическое поле способствует движению неосновных носите­лей заряда, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители приконтактной области движутся через n—р -переход и образуют ток i_H, направлен­ный от n -полупроводника к р -полупроводнику. Его сила тока практически не зависит от разности потенциалов между n - и р -полупроводниками и определяется только количеством не­основных носителей заряда.

Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток i_Q, на­правленный противоположно, т.е. от р -полупроводника к n -полупроводнику. На рисунке 6, б видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолеть потенциальный барьер.

Рис. 6	Рис.7

В со­стоянии равновесия устанавливается такая высота потенци­ального барьера (контактная разность потенциалов), при ко­торой полная сила тока

i = i₀ – i_н = 0

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Предположим, что мы приложили к контакту напряжение такого знака, что потенциал n -области оказывается отрицательным, а р -области — положительным (рис. 7, а). Тогда энергия электронов в n -области увеличится, а в р -облас­ти уменьшится, а следовательно, высота потенциального барье­ра станет меньше (рис. 7, б). При этом сила тока неоснов­ных носителей i_н, как говорилось выше, не изменится. Сила же тока основных носителей i_Q увеличится, так как теперь большее количество электронов сможет преодолеть потенци­альный барьер и перейти слева направо, а также большее ко­личество дырок — перейти в противоположном направлении. В результате через контакт будет идти ток i = i₀ – i_н, направ­ленный от р -полупроводника к n -полупроводнику; сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напря­жения. Направление тока, которое возникает в данном слу­чае, называют пропускным, а ток — прямым.

Что будет происходить, если к n -области присоединить по­ложительный полюс источника тока, а к р -области — отрица­тельный (рис. 8, а)? В этом случае высота потенциального барьера увеличится и сила тока основных носителей i₀ умень­шится. Уже при напряжениях порядка 1 В этот ток практиче­ски обратится в нуль, и поэтому через контакт будет течь только ток неосновных носителей, при этом сила тока i_н будет очень мала (рис. 8, б). Это направление тока называют запирающим, а ток — обратным.

Рис. 8	Рис.9

Таким образом, n—р переход обладает односторонней про­водимостью, аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы — вакуумному диоду.

Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяются в современных полупроводниковых прибо­рах. Приборы с одним n–р -переходом называются диодами (рис. 9, а); с двумя — транзисторами (рис. 9, б); с тремя — тиристорами (рис. 9, в).

Задание

По тексту п. 4 «Электронно-дырочный переход (n–р -переход)» составить 5 вопросов таких, чтобы раскрыть содержание всего материала пункта. Ответить на эти вопросы (письменно)