3. Примесная проводимость

Полупроводники так бы и остались просто интересными, если бы не было примесной проводимости. Существует 2 типа примесей: n-тип и p-тип.

Обычно все полупроводники четырехвалентны, например, Si кремний, Ge германий. При объединении атомов в кристалл валентные электроны участвуют в ковалентной связи и являются как бы принадлежащими не отдельному атому, а группе атомом кристаллической решетки, что и определяет прочность кристалла.

Пусть в четырехвалентную структуру внедряется пятивалентный атом, например, P фосфор, As мышьяк или Sb сурьма. У примесного атома 4 электрона принимают участие в ковалентной связи, а связь пятого электрона с атомом ослабевает настолько сильно, что он становится свободным. При этом образовавшийся положительный ион не в состоянии притянуть электрон из соседнего атома. Получается, что есть свободный электрон, а дырок – нет, вместо дырки неподвижный ион. Такой проводник называется n –типом (n — negative — отрицательный, электронный), а примесные атомы донорами.

Пусть в четырехвалентную структуру внедряется трехвалентный атом, например, Ga галлий или In индий. Для прочной ковалентной связи не хватает одного электрона. Недостающий электрон примесный атом забирает у соседнего атома и уже никогда его не отдает. Образовавшаяся дырка соседнего атома может передвигаться по кристаллической решетке. Получается, что есть дырки, а свободных электронов – нет, вместо него в решетке появляется неподвижный отрицательный ион. Такой проводник называется p–типом (p — positive — положительный, дырочный), а примесные атомы акцепторами.

Число примесных электронов или дырок порядка 10¹⁷ на см³ , то есть один примесный атом на миллион основных атомов.

Но не стоит забывать и о собственной проводимости. Электроны в n–типе и дырки в p-типе, обусловленные собственной и примесной проводимостью, принято называть основными носителями заряда. Дырки в n-типе и электроны в p–типе, обусловленные только собственной проводимостью, принято называть неосновными носителями заряда. Поскольку основных носителей – электронов в n-типе, дырок в p-типе в 1000раз больше, чем неосновных носителей заряда, то собственной проводимостью пренебрегают. Считают, что вn –типе есть только электроны, а p –типе только дырки. Но при росте температуры собственная проводимость резко возрастает, стирается разница между n- и p- типами.

4. N-p переход

Электронно-дырочный переход, или p-n переход— область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. Этот p-n переход является основой для полупроводниковых диодов, биполярных транзисторов, тиристоров и других.

Основное свойство p-n перехода – односторонняя проводимость. При подаче положительного напряжения на p–тип и отрицательного на n–тип по переходу протекает ток, свободные электроны попадают в p–тип, а дырки в n–тип.

При противоположном напряжении: «плюс» на n–типе, «минус» на p–типе ток не протекает, заряды только отходят от перехода, все напряжение оказывается приложенным к n-p переходу (ситуация напоминает приложение напряжения к конденсатору).

Другое объяснение односторонней проводимости полупроводника. Проведем аналогию с гравитационным полем. Пусть высокий потенциал «плюс» изображается возвышенностью, а низкий потенциал «минус» углублением. Дырки можно представить как частицы, которые двигаются из области с высоким потенциалом в область с низким потенциалом, как бы скатываются в ямки. Электроны, имеющие отрицательный заряд, движутся в обратную сторону, как пузырьки в жидкости, которые поднимаются вверх.

p n p n

прямое включение обратное включение