Учебное пособие: Физические основы полупроводниковых приборов

Для получения полупроводника с дырочной электропроводностью в кристалл чистого германия вводят примеси трехвалентных элементов: индий (In) и галлий (Ga) для германия; бор (В) и алюминий (Al) для кремния. При этом три валентных электрона, например индия, образуют три парноэлектронные связи с соседними атомами германия. В результате теплового движения электрон одного из соседних атомов германия может перейти в незаполненную связь атома индия. В атоме германия появится одна незаполненная связь - дырка (рис.3). Захваченный атомом индия, четвертый электрон образует парноэлектронную связь и прочно удерживается атомом индия. Атом индия становится при этом неподвижным отрицательным ионом.

Примеси, атомы которых захватывают и прочно удерживают электроны атомов полупроводника, называются акцепторными или акцепторами.

Проводимость, обусловленная наличием в полупроводнике избытка подвижных дырок, т.е. превышением их концентрации над концентрацией электронов, называется дырочной проводимостью или проводимостью р - типа.

Основными носителями зарядов в полупроводнике с акцепторной примесью являются дырки, а не основными - электроны.

Полупроводники, в которых основными носителями зарядов являются дырки, называются дырочными полупроводниками или полупроводниками р - типа.

Рисунок 2 Рисунок 3

Электрический ток в полупроводнике может быть вызван двумя причинами:

действием внешнего электрического поля;

неравномерным распределением концентрации носителей зарядов по объему полупроводника.

Направленное движение подвижных носителей зарядов под воздействием электрического поля называют дрейфом (дрейфовое движение), а под воздействием разности концентраций носителей зарядов - диффузией (диффузионное движение). Неравномерность концентрации зарядов в какой-либо части полупроводника может возникнуть под действием света, тепла электрического поля и др.

В зависимости от характера движения носителей зарядов различают соответственно дрейфовый и диффузионный токи в полупроводниках.

Электронно - дырочный переход (p - n - переход)

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно - дырочным переходом или p-n - пе-реходом.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители зарядов в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Из полупроводника n - типа в полупроводник р - типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р - типа в полупроводник n - типа диффундируют дырки (рис.4, б). В результате диффузии носителей зарядов по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд, который образован положительно заряженными атомами донорной примеси. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси.

а) б)

Рисунок 4

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов: u_K = φ_n - φ_p и электрическое поле, направленное от n - области к p - области.

Как видно, в p-n - переходе возникает потенциальный барьер, который препятсвует диффузии основных носителей зарядов.

Высота потенциального барьера равна контактной разнице потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях, при этом толщина p-n - перехода d уменьшается. Для германия, например, при средней концентрации примесей u_K = 0,3 - 0,4 В и d = 10^-4 - 10^-5 см, а при больших концентрациях - u_К ≈0,7 В и d = 10^-6 см. С увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Такое перемещение не основных носителей зарядов называется дрейфовым.

При отсутствии внешнего электрического поля через p-n - переход протекают два тока: ток диффузии и ток дрейфа.

Ток диффузии и ток дрейфа через p-n - переход протекают навстречу друг другу и взаимно компенсируются. Суммарный ток через p-n - переход равен нулю.

При образовании контактной разности потенциалов по обе стороны границы раздела полупроводников образуется слой с пониженной концентрацией основных носителей зарядов. Он обладает повышенным сопротивлением и называется запирающим слоем. Толщина его несколько микрон.

Внешнее напряжение U, приложенное плюсом к p - области p-n - перехода, а минусом к n - области, называется прямым напряжением U_пр .

Если к p-n - переходу приложено внешнее прямое напряжение U_пр , то создаваемое им внешнее электрическое поле E_пр оказывается направленным навстречу электрическому полю p-n - перехода -E_к . В результате этого высота потенциального барьера понижается на величину внешнего напряжения. Одновременно уменьшается толщина запирающего слоя (d_пр < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым. Так как высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей зарядов может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа не основных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на p-n - переход из p - и n - областей.

Рисунок 5

При прямом напряжении I_диф > I_др и поэтому полный ток через переход т.е. прямой ток, уже не равен нулю: