Примесная проводимость полупроводников и p-n-переход

Примесная проводимость

Чтобы получить преимущественно электронную или преимущественно дырочную проводимость нужной величины, в полупроводник вводят примеси. Валентные электроны связаны в твердом теле не только с ядром своего атома, они и взаимодействуют с соседями по кристаллической решетке. Так, у важнейших материалов полупроводниковой техники - кремния и германия - по четыре валентных электрона. Строение кристаллической решетки таково, что электроны взаимодействуют со своим и с четырьмя соседними атомами. Если, например, в кремнии вместо какого-нибудь атома кремния окажется атом пятивалентного элемента, имеющего, соответственно, пять валентных электронов, то один электрон из этих пяти уже не будет связан с соседями. Такие электроны легче других могут стать свободными и создать электронную проводимость. После ухода пятого электрона в «свободные», около атома остались полагающиеся ему четыре электрона. Значит, дырки нет, и дырочная проводимость не возникает, создается только электронная проводимость. Если же ввести в кремний атом трехвалентной примеси, то появится атом, у которого электрона не хватает. Значит, возникнет дырочная проводимость. А свободные электроны при этом не создаются.

Электронная и дырочная проводимости, созданные введением примесей, называются примесной проводимостью. Дозируя количество и выбирая состав примесей, можно достигать и определенного типа проводимости, и определенных ее значений. Если превалирует электронная проводимость, то такой материал называется полупроводником n-типа, в случае, если превалирует дырочная проводимость - это полупроводник p-типа.

p-n-переход

Если соединить последовательно непосредственным контактом два проводника из одинакового материала, никаких качественных изменений при этом не произойдет. Сопротивление объединенного проводника будет равно сумме исходных сопротивлений, а все свойства останутся теми же. При соединении же p- и n-полупроводников, в месте их соединения возникает новый физический объект - p-n-переход, придающий образованному соединению совершенно новые свойства. Полупроводники p- и n-типа - это как кубики в детском конструкторе, складывая их по-разному, можно получать приборы с различными свойствами.

Свойства p-n-переходов определяются целым рядом процессов, протекающих у контакта. Причем в разных приборах усилено действие одних процессов и ослаблено действие других.
Почему же, если соединить p- и n-полупроводники, возникает такой удивительный физический объект? Частицы, участвующие в тепловом движении, подвергаются диффузии. Так называется процесс выравнивания концентрации частиц по объему тела, их перетекания оттуда, где густо, туда, где пусто. Диффузию можно наблюдать, если бросить кристаллик марганцовокислого калия в воду. Значит, из полупроводника р, в котором дырок много, они будут переходить в полупроводник n, в котором дырок нет. Но процесс этот, начавшись, сам себя тормозит. Когда из нейтрального полупроводника уходят положительно заряженные частицы, он становится отрицательно заряженным. Между зарядившимся p-полупроводником и ушедшими дырками создается электрическое поле. Очевидно, оно направлено так, что препятствует дальнейшему переходу дырок из р-кубика в n-кубик.