К полупроводникам относят материалы, проводимость которых больше проводимости диэлектриков, но меньше проводимости проводников. Обычно это кристаллический материал с шириной запрещенной зоны от 0,5 до 2 эВ. В радиоэлектронике в качестве полупроводников наиболее часто используются кремний, германий, арсенид галлия, селен и др. Химически чистые, или i-полупроводники имеют небольшую собственную проводимость, обусловленную свободными электронами и дырками теплового происхождения.
Полупроводник п-типа – это полупроводник с преобладающей электронной проводимостью. Преобладающая электронная проводимость возникает при добавлении донорных примесей, например пятивалентных сурьмы, мышьяка и т.п. к четырехвалентному кремнию. Атом примеси легко ионизируется, добавляя электрон к электронам собственной проводимости.
Полупроводник р-типа возникает при добавлении к химически чистому полупроводнику акцепторных примесей, например, при добавлении трехвалентных бора, алюминия и др. к четырехвалентному кремнию. Атом примеси ионизируется, принимая электрон от соседнего атома основного полупроводника и создавая, тем самым, дырку в полупроводнике. Примесные полупроводники называются легированными.
При нормальной температуре практически все атомы примесей ионизируются, и проводимость примесного полупроводника существенно возрастает. Отметим, что, несмотря на возникновение только одного типа проводимости: или n-, или р-типа, примесные полупроводники будут электрически нейтральны, так как заряды ионов скомпенсированы зарядами основных носителей заряда: электронов в n-области и дырок в р-области полупроводника. Дырки в n-полупроводнике или электроны в р-полупроводнике называют неосновными носителями зарядов.
Наибольшее применение нашли полупроводники, одна часть которых легирована акцепторными примесями, а другая – донорными. Переход между двумя областями полупроводника с разными типами электропроводности (рис. 1.1) называется электронно-дырочным.
После создания в полупроводнике р- и n-областей начинается диффузионный ток основных носителей заряда: дырок из р-области в n-область и электронов в обратном направлении. Диффундируя, электроны и дырки оставляют за собой соответственно положительно и отрицательно заряженные ионы примесей.
Отметим, что эти ионы жестко закреплены в кристаллической решетке и перемещаться не могут. В n-области диффундирующие дырки рекомбинируют с электронами, резко уменьшая концентрацию электронов и дополнительно образуя нескомпенсированные положительные ионы. Аналогично в р-области диффундирующие электроны рекомбинируют с дырками, резко уменьшая концентрацию основных носителей зарядов и дополнительно образуя нескомпенсированные отрицательные ионы.
Таким образом, вблизи границы р- и n-областей концентрация основных носителей заряда резко падает. Возникает обедненный носителями слой, где «обнажаются»
нескомпенсированные отрицательные и положительные заряды акцепторных и донорных ионов. Ширина этого обедненного слоя для кремниевого перехода равна: l » 0,3 мкм.
Появление противоположно заряженных ионов приводит к возникновению электрического поля в переходе. Это поле направлено так, что тормозит процессы диффузии. Возникшему электрическому полю соответствует контактная разность потенциалов (jК). При температуре Т = 27 °С для кремниевого перехода jК » 0,8 В.
Электрическое поле в переходе обусловливает появление дрейфового тока – тока неосновных носителей зарядов в переходе: дырки из n-области переносятся электрическим полем в р-область, а электроны из р-области затягиваются в n-область. Значение дрейфового тока мало, так как мала концентрация неосновных носителей заряда. В установившемся состоянии диффузионный ток будет равен дрейфовому току.
Пусть к р-п-переходу подключен источник небольшого постоянного напряжения, причем плюс этого напряжения прикладывается к р-области (см. рис. 1.1). Электрическое поле, создаваемое этим источником, накладывается на внутреннее поле в р-п-переходе, созданное ионами примесей. Резу