6.2. Краткие теоретические сведения

Полупроводники любой степени чистоты всегда содержат разного рода примеси. В некоторых случаях примеси вводят специально для придания полупроводнику необходимых свойств.

Примеси бывают двух типов: донорные и акцепторные. Донорные примеси поставляют в зону проводимости электроны, а акцепторные захватывают электроны, в результате чего в валентной зоне появляются дырки.

Несвязанные электроны без образования дырок могут появиться, например, при замещении части четырехвалентных атомов германия пятивалентными атомами мышьяка. Введение донорной примеси приводит к возникновению в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости локальных энергетических уровней D, расположенных на глубине ΔW_D от дна зоны проводимости (рис. 6.2, а). Пятый электрон слабо связан с ядром и становится «лишним» в установлении межатомных связей. Сообщение таким электронам незначительной энергии ΔW_D приводит к тому, что они начинают беспрепятственно перемещаться по решетке кристалла, превращаясь, таким образом, в электроны проводимости. Эти полупроводники получили название полупроводников n-типа.

Введение акцепторной примеси приводит к возникновению в запрещенной зоне (выше верхнего потолка валентной зоны) локальных энергетических уровней A (рис. 6.2, б), например, при замещении части четырехвалентных атомов кремния трехвалентными атомами бора. Для установления прочной межатомной связи в этом случае не хватает одного электрона, который захватывается у соседнего атома. Разорванная связь представляет собой дырку. Близость акцепторного уровня А приводит к тому, что электроны из валентной зоны при получении незначительной энергии ΔW_A легко переходят на примесный уровень и в проводимости не участвуют. В проводимости полупроводника участвуют лишь дырки, возникающие при этом в валентной зоне. Такие полупроводники получили название полупроводников p-типа.

Следует заметить, что в полупроводниках p- и n-типа кроме основных присутствуют и неосновные носители (электроны в полупроводниках p-типа и дырки в полупроводниках n-типа), концентрация которых, однако, во много раз меньше концентрации основных носителей.

Дополнительные локальные энергетические уровни D и A отделены от ближайших уровней зоны проводимости и валентной зоны энергетической щелью ΔW_D и ΔW_A соответственно. Величины ΔW_D и ΔW_A называются энергиями активации донорной и акцепторной примесей соответственно. При этом численное значение каждой из величин ΔW_D и ΔW_A в несколько сот раз меньше ширины запрещенной зоны.

Рассмотрим, что происходит при контакте двух примесных полупроводников с различным типом проводимости. До соприкосновения полупроводники были электрически нейтральны, поэтому уровни Ферми [7] W_f, n и W_f, p в них расположены на разной высоте: в полупроводнике n-типа – ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике p-типа – ближе к валентной зоне.

Если привести полупроводники в контакт, то электроны из полупроводника n-типа станут диффундировать в полупроводник p-типа, а дырки из полупроводника p-типа будут диффундировать в полупроводник n-типа. Возникает ток основных носителей, который называется диффузионным. Это происходит до тех пор, пока уровни Ферми в полупроводниках не расположатся на одной высоте.

Вследствие рекомбинации встречающихся электронов и дырок тонкий слой (10⁻⁷ − 10⁻⁶) м, прилегающий к границе раздела полупроводников, оказывается обедненным свободными носителями заряда. В результате этого в приконтактной области полупроводника n-типа остается нескомпенсированный положительный заряд и она заряжается положительно. Аналогично этому в приконтактной области полупроводника p-типа остается нескомпенсированный отрицательный заряд и она заряжается отрицательно (рис. 6.3, а). Появляется контактное электрическое поле с напряженностью , которое является запирающим: электроны из n-полупроводника не могут двигаться по полю , а дырки из p-полупроводника не могут двигаться против поля . Появляется контактная разность потенциалов U_к, которая вызывает смещение всех энергетических уровней, в результате этого возникает потенциальный барьер высоты еU_к (рис. 6.3, а), где е – элементарный электрический заряд.

Если к p-n-переходу приложить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении U_пр, то в области p-n-перехода создается дополнительное электрическое поле Е_пр (рис. 6.3, б), направленное против контактного электрического поля Е_к. Равновесие в области p-n-перехода нарушается, понижение потенциала в n-области вызывает повышение относящихся к ней энергетических уровней, а повышение потенциала в p-области обусловливает понижение соответствующих энергетических уровней (см. рис. 6.3, б). При этом уровень Ферми в n-области смещается вверх, а в p-области – вниз, на величину 1/2 еU_пр.

Высота потенциального барьера уменьшается на величину еU_пр и становится равной е(U_к – U_пр) (см. рис. 6.3, б), p-n-переход открывается, и сила тока, проходящего через него, повышается с увеличением внешней разности потенциалов.

Рис. 6.3. Энергетические уровни электронов в p-n-переходе:

а – в отсутствие внешнего поля; б – при наличии прямого напряжения;

в – при наличии обратного напряжения

При включении p-n-перехода в обратном направлении (рис. 6.3, в) высота потенциального барьера увеличивается и становится равной е(U_к + U_об). Внешнее поле Е_об совпадает по направлению с контактным полем Е_к, что приводит к расширению запирающего слоя, поэтому p-n-переход закрывается. Результирующий ток в этом случае стремится к величине тока неосновных носителей, который на три – четыре порядка меньше прямого тока.

Зависимость силы тока I, проходящего через p-n-переход от приложенной разности потенциалов U называется вольт-амперной характеристикой, вид которой показан на рис. 6.4.

Следует заметить, что ось токов имеет различный масштаб в прямом и обратном направлениях.