Примесные полупроводники р-типа

Рассмотрим теперь случай, когда в качестве примесей в кристалле германия Ge присутствуют атомы трехвалентного индия In (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Атом индия In в кристалле германия.

Три внешних электрона атома индия образуют ковалентные связи с тремя из четырех соседних атомов германия Ge. При этом одно состояние около атома индия остается свободным. Энергия электрона в таком состоянии только на сравнительно небольшую величину АЕ_а выше потолка валентной зоны. Энергии этих состояний называются акцепторными уровнями. При Т = 0 все эти состояния свободны и уровень Ферми расположен между потолком валентной зоны и акцепторными уровнями (рис. 10.17).

Рис. 10.17. Функция Ферми — Дирака и энергетические уровни электронов в полупроводнике р-типа.

При повышении температуры электроны с энергиями из валентной зоны (т.е. внешние электроны, осуществляющие связь между атомами Ge) начинают заполнять свободные состояния с более высокими энергиями. Как видно из рис. 10.17, энергия электронов, оторвавшихся от атомов германия, будет принимать значения, отмеченные на оси энергий акцепторными уровнями, т. е. эти электроны будут захвачены атомами индия. Атомы примеси в данном случае называются акцепторами. При захвате электрона атом индия превращается в неподвижный отрицательно заряженный ион, а на месте электрона у атома германия образуется дырка. Свободные электроны с энергиями в зоне проводимости присутствуют в очень незначительном количестве. Таким образом, в кристалле германия с примесями атомов индия основными носителями тока являются дырки. Поэтому такие примесные полупроводники называются полупроводниками p-типа. Их удельная электропроводность определяется формулой.

где АЕ_а ~ ''расстояние'* от потолка валентной зоны до акцепторных уровней.

р-n-переход

Рассмотрим кристалл, одна часть которого из-за присутствия в ней примесей является полупроводником п-типа, а другая — полупроводником p-типа. Такая конструкция называется р-п-переходом (рис. 10.18).

Рис. 10. 18. р-п-переход.

В полупроводнике n-типа подвижными заряженными частицами являются свободные электроны, заряд которых скомпенсирован зарядом неподвижных положительно заряженных ионов, образовавшихся из атомовдоноров. В полупроводнике p-типа подвижными заряженными частицами являются дырки, а их заряд нейтрализуется зарядом отрицательных ионов, образовавшихся из атомов-акцепторов. Когда эти полупроводники соприкасаются, электроны перемещаются через границу раздела из полупроводника n-типа в полупроводник р-тина, где они рекомбинируют с дырками. При этом в тонком слое n-полупроводника у границы раздела обнажаются положительные ионы, а в слое р-полупроводника по другую сторону границы раздела обнажаются отрицательные ионы. Эти заряды создают электрическое поле, которое препятствует диффузии электронов из n-полуироводника в р-полу проводник. Со временем устанавливается динамическое равновесие, при котором число электронов, диффундирующих через границу раздела из n-полу проводник, а в течение некоторого времени, равно числу электронов, протекающих за это время в обратном направлении под действием создаваемого ионами электрического поля. В результате этих процессов у поверхности раздела полупроводников образуется двойной слой, обедненный носителями тока. Поэтому этот слой обладает высоким электрическим сопротивлением, которое пропорционально его ширине 6.

Рис. 10.19. Полупроводниковый диод. Прямое включение ЭДС.

Если создать внутри р-л-перехода электрическое поле, подключив к нему источник ЭДС так, как показано на рис. 10.19, то под действием этого поля электроны в n-полупроводнике и дырки р-полу проводнике сместятся ближе к границе раздела. В результате ширина 6 слоя, обедненного носителями тока, уменьшится и как следствие уменьшится сопротивление перехода. Электрическое поле противоположного направления увеличивает сопротивление перехода. Поэтому сила электрического тока, протекающего через р-и-переход, нелинейно зависит от приложенного напряжения. Это свойство р-п-перехода используется в различных полупроводниковых устройствах.