Примесные полупроводники

В примесных полупроводниках проводимость обеспечивается за счёт введения примесей. Введём в кристалл 4х-валентного Si примесь 5-ти валентного фосфора Р. Четыре электрона Si образуют с четырьмя электронами Р прочные (ковалентные) связи, а пятый электрон оказывается слабо связанным. Отразим

	Рис. 3

это на зонной схеме. Слабо связанный электрон примеси находится на донорном уровне E _D, расположенном на расстоянии ∆E_D от зоны проводимости, причём ∆E_D << E_g. Тепловое движение легко перебрасывает этот электрон в зону проводимости (показано стрелкой на рис. 3), где он становится свободным и может проводить ток. П/проводники с донорной примесью называют n –полупроводниками (от слова negative), так как их основными носителями тока являются электроны, несущие отрицательный заряд (-е).

Введём теперь в четырёхвалентный Si примесь трёхвалентного бора В. Для образования связей с четырьмя соседями у атома В не хватает одного электрона, который боротбирает от соседних атомов Si, где образуется «дырка» - носитель положительного заряда. Такая примесь называется акцепторной, Отразим это на зонной схеме. Дырки примеси находятся акцепторном уровне Е _А,

Рис. 4

находящемся на расстоянии ∆Е _А от валентной зоны, причем ∆Е _А << E _g. В этих условиях электроны из валентной зоны легко переходят на акцепторный уровень Е _А, а в валентной зоне появляются дырки - основные носители тока. Это полупроводник р -типа (от слова positive), так как основными носителями тока являются дырки, несущие положительный заряд (+е).

Контакт n - и р - полупроводников

Возьмем пластинку n – и р - полупроводников (рис. 5 а). Пластинки электрически нейтральны, так как заряд основных носителей (электронов или дырок) уравновешивается противоположным зарядом ионов примеси. Приведём пластинки в контакт. В результате диффузии часть электронов перейдёт в р -, а дырок – в n –полупроводник (рис. 5 б). Из-за диффузии дырок n - полупроводник вблизи контакта зарядится положительно (+), а из-за диффузии электронов

р - полупроводник вблизи контакта зарядится отрицательно (-). Это означает что в области n - p -контакта возникает запирающее электрическое поле Е_З, которое прекращает дальнейшую диффузию электронов и дырок, так как оно будет отталкивать дырки р - п/проводника и электроны n - п/проводника от области n- р - контакта. На рис. 5 в область n - p -контакта отмечена серой краской, указано также направление вектора запирающего электрического поля Е_З. Отразим это на зонной схеме (рис. 5 в). Электроны n –полупроводника находятся в зоне проводимости. Энергия электронов зоне проводимости р - полупроводника будет выше, так как электронам, чтобы попасть в р - п/проводник через n - p - контакт, необходимо совершить работу против сил запирающего электрического поля Е_З. Поэтому уровень энергии зоны проводимости р -п/проводника будет выше, чем n -п/проводника, как это показано на рис. 5 в.

Аналогичные рассуждения можно провести об уровнях энергии дырок в валентной зоне p -и n - п/проводников. В соответствие с этими рассуждениями уровни энергии валентной зоны p -и n - п/проводников будут находиться в соотношении, представленном на рис. 5 в. Рассмотренный n - p -контакт обладает свойством односторонней проводимости. Рассмотрим это более подробно.

Подадим на n - область положительный потенциал от внешнего источника тока, создающий внутри п/проводника электрическое поле напряжённостью Е, как это показано на рис. 6. Направление внешнего поля Е совпадает с направлением запирающего поля Е_З, причём Е >> Е_З. Под действием поля Е электроны n- п/проводника смещаются влево, а дырки р - полупроводника - вправо от n - р- контакта. При этом возрастает ширина n - р- перехода и повышается энергетический барьер для движения носителей тока через n - р- переход, как это показано на рис.

6, ток через n - р -контакт не идёт. Это направление называют запирающим.

Рис. 7

Подадим на n - п/проводник отрицательный потенциал от внешнего источника тока, создающий внутри п/проводника внешнее электрическое поле Е (рис. 7). Если Е > Е_З, то энергетический барьер для движения электронов и дырок через n - р- контакт исчезает: электроны n -п/проводника под действием поля Е будут двигаться слева, а дырки р-п/проводника справа к n - р- переходу (рис. 7),

то есть по цепи потечёт ток. Это направление называют пропускным. Свойство односторонней проводимости n- р - контактов используется для создания полупроводниковых диодов, принцип работы которых мы только что рассмотрели, транзисторов, светодиодов и т д.