2.3. Домішкова провідність напівпровідників

Чистий напівпровідник, який би складався тільки з одного хімічного елементу, створити практично не можливо. В реальному напівпровіднику існує певна кількість домішок, тобто атомів іншої хімічної природи. Внесення навіть невеликої кількості домішок (порядку 0,001%) призводить до різкого збільшення електропровідності напівпровідника.

Електрони в зоні провідності в напівпровіднику з донорною домішкою називаються основними носіями заряду. Поряд з цим в такому напівпровіднику при достатньо високих температурах за рахунок власних переходів генеруються і дірки. Останні називаються неосновними носіями. Очевидно, що для напівпровідника з донорною домішкою концентрація електронів набагато більша концентрації дірок:

Дірки в валентній зоні напівпровідника з трьохвалентною домішкою, яка називається акцепторною, є основними носіями заряду. При цьому в такому напівпровіднику завжди є певна кількість вільних електронів за рахунок власної генерації. Вони є неосновними носіями заряду і для такого напівпровідника:

n < p. (6)

Отже, струм в домішкових напівпровідниках здійснюється загалом основними носіями заряду. Основні носії з’являються в результаті введення в напівпровідник домішки. Така провідність називається домішковою: електронного (n-) або діркового (p-) типу.

2.4. Електронно-дірковий перехід

Електронно-дірковий перехід утворюється на границі двох напівпровідників з різним типом домішкової провідності (див. рис. 2.12). Важливо підкреслити, що електронно-дірковий перехід з потрібними для створення напівпровідникових приладів властивостями повинен бути отриманим в єдиній кристалічній структурі, в різні області якої вводяться акцепторні та донорні домішки. Для цього використовують технологію плавлення (технологія сплавного діода).

На границі розділу областей р і n навіть за відсутності зовнішніх джерел електрорушійної сили утворюється потенціальний бар’єр, який власне і є електронно-дірковим переходом (р-n перехід). Це пояснюється тим, що в приграничній області дірки із р-області внаслідок дифузії рекомбінують з електронами із n-області, збільшуючи кількість зарядово не скомпенсованих іонів решітки (збіднений носіями заряду шар). Зменшення кількості носіїв заряду приводить до збільшення опору р-n переходу. Електричне поле подвійного зарядженого приконтактного шару забезпечує дрейфовий струм неосновних носіїв. Рівновага настає, коли цей струм дорівнює дифузійному струму основних носіїв. Товщина збідненого шару d – потенціального бар’єру – залежить від багатьох факторів і може скласти декілька мікрон (див. рис. 2.13).

2.5. Принцип дії напівпровідникового діода

Електронно-дірковий перехід є основною складовою частиною напівпровідникового діода. Розглянемо процеси, які протікають в р-n переході при прикладенні до нього зовнішньої напруги. Нехай напруга прикладена полярністю, показаною на рис. 2.15. При такому включенні р-n переходу говорять про пряме зміщення діода. Воно викликає збільшення дифузії основних носіїв як із р-області в n-область (дірок), так і в зворотному напрямку (електронів) і зменшення товщини збідненого шару. Проходячи через р-n перехід в сусідні області надлишкові носії заряду рекомбінують. Оскільки прикладена зовнішня напруга порушила рівновагу, цей процес продовжується неперервно. Це значить, що пряме зміщення обумовлює протікання через р-n перехід струму основних носіїв заряду. Оскільки таких носіїв в р- і n-областях відносно багато, то цей струм (називають – прямим) швидко збільшується з ростом прикладеної до діода напруги. Нехай тепер до діода прикладена напруга полярності, протилежної до показаної на рис 2.15, – зворотне зміщення. В цьому випадку струм основних носіїв через перехід неможливий, товщина збідненого шару збільшується. Однак для неосновних носіїв електричне поле збідненого шару є прискорюючим. Зростання цього прискорюючого поля викликає протікання через діод струму неосновних носіїв, який називається зворотнім струмом.