Електронно-дірковий перехід (p-n перехід)

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність p-типу, а інша – n-типу, називають електронно-дірковим переходом або p-n переходом. Такі переходи одержують шляхом введення в напівпровідник донорної і акцепторної домішок таким чином, щоб одна частина напівпровідника володіла електронною, а інша – дірковою електропровідністю. Створити електронно-дірковий перехід механічним з'єднанням двох напівпровідників з різними типами електропровідності немов-ливо.

Допустимо, що n- і p-напівпровідники стикаються один з одним (рис.5.6).

Рис.5.6. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

при відсутності зовнішнього електричного поля.

Оскільки в n-напівпровіднику міститься велика кількість електронів, а в p-напівпровіднику – дірок, то між ними почнеться обмін носіями зарядів. У результаті цього в приконтактній області напівпровідника n-типу утворюється нескомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки, а в напів-провіднику р-типу виникає негативний заряд іонів акцепторної домішки.

Область розподілу напівпровідників n- і p-типу виявиться збідненою вільними носіями заряду й, незважаючи на малу ширину (h ≈ 10^-6–10^-8м), буде володіти більшим опором, який значно перевищує опір іншої частини напівпровідників. Наявність негативного і позитивного об'ємного зарядів приводить до утворення електричного поля, що перешкоджає подальшому дифузійному потоку носіїв заряду.

Якщо до p-області прикласти позитивний полюс джерела живлення, а до n-області – негативний, то зовнішнє електричне поле буде спрямоване зустрічно електричному полю, обумовленому об'ємними зарядами (рис.3.5).

Основні носії заряду в p- і n- напівпровідниках, які мають найбільшу енергію, одержують можливість проникнути через збіднений шар в області, де вони рекомбінуються. При такій полярності зовнішньої напруги електрон-но-дірковий перехід буде «відкритий» і через нього протікатиме прямий струм.

Рис.5.7. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

(зовнішнє електричне поле спрямоване зустрічно дифузійному).

При зміні полярності зовнішньої напруги електричне поле об'ємних зарядів і зовнішнє поле будуть збігатися за напрямком. У результаті дії сумарного електричного поля основні носії починають рухатися від переходу й перетнути перехід зможуть тільки неосновні носії (рис.4.8).

Рис.5.8. Розподіл носіїв заряду в областях напівпровідника

(зовнішнє електричне поле збігається за напрямком з дифузійним).

Вольт-амперна характеристика p-n переходу наведена на рис. 5.9. Для опису цієї залежності використовується вираз

(5.15)

де I_S – струм насичення (при зворотному включенні p-n переходу I_S = І_зв); U – прикладена напруга; q/k ≈ 40 В^-1 при кімнатній температурі.

Рис.5.9. Вольт-амперна характеристика p-n переходу.

Оскільки кількість неосновних носіїв у багато разів менше основних, то й струм, викликаний ними, буде менше, ніж струм, що з'являється при пря-мому включенні. При такому включенні електронно-дірковий перехід «закритий» і через нього протікає тільки малий зворотний струм неосновних носіїв заряду.

Напівпроводни́к n-ти́пу — напівпровідник, в якому основні носії заряду — електрони провідності.

Для того, щоб отримати напівпровідник n-типу, власний напівпровідник легують донорами. Здебільшого це атоми, які мають на валентній оболонці на один електрон більше, ніж атоми напівпровідника, який легується. При не надто низьких температурах електрони зі значною ймовірністю переходять із донорних рівнів у зону провідності, де їхні стани делокалізовані й вони можуть вносити вклад у електричний струм.

Кількість електронів у зоні провідності залежить від концентрації донорів, енергії донорних рівнів, ширини забороненої зони напівпровідника, температури,ефективної густини рівнів у зоні провідності.

Здебільшого легування проводиться до рівня 10¹³ — 10¹⁹ донорів на см³. При високій концентрації донорів напівпровідник стає виродженим.

Напівпровідни́к p-ти́пу — напівпровідник, в якому основними носіями заряду є дірки.

Напівпровідники p-типу отримують методом легування власних напівпровідників акцепторами. Для напівпровідників четвертої групи періодичної таблиці, таких як кремній та германій, акцепторами можуть бути домішки хімічних елементів третьої групи — бор, алюміній.

Наприклад, якщо кремній легувати 3-валентним індієм, то для утворення зв'язків з кремнієм у індію не вистачає одного електрона, тобто утворюється дірка. Змінюючи концентрацію індію, можна в широких межах змінювати провідність кремнію, створюючи напівпровідник із заданими електричними властивостями. Такий напівпровідник називається напівпровідником p-типу, основними носіями заряду є дірки, а домішка індію, що утворює дірку, називається акцепторною.

Концентрація дірок у валентній зоні визначається температурою, концентрацією акцепторів, положенням акцепторного рівня над верхом валентної зони,ефективною густиною рівнів у валентній зоні.