Модели решеток примесных полупроводников

При введении в полупроводник примесей - донорных (элементы 5-й группы: фосфор, мышьяк, сурьма) или акцепторных (элементы 3-й группы: бор, индий, алюминий) резко увеличивается количество свободных носителей зарядов – электронов и дырок.

 

Р-n – переход

Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основывается на свойствах электронно-дырочного перехода (p-n – перехода).

p-n – переход – это область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

При соприкосновении полупроводников с различным типом электропроводности в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок, в результате чего образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоки электрическим сопротивлением. Этот слой называется запирающим.

Кроме того, по обе стороны границы соприкосновения создается объемный заряд: в p-области образованный отрицательно заряженными ионами акцепторной примеси, в n-области – положительно заряженными ионами донорной примеси (рис. 6). Это приводит к возникновению контактной разности потенциалов (десятые доли – единицы вольт) и соответственно электрического поля Е_зап.

 

Рисунок 6 – Плоская модель p-n-перехода

 

Если к p-n – переходу приложить внешнее напряжение, «+» к n-области, а «-» к p-области, ширина запирающего слоя увеличится, так как основные носители (дырки и электроны) отойдут от перехода. При этом сопротивление перехода еще больше увеличивается и через него будет протекать очень малый ток, называемый обратным. Т.о. при такой полярности внешнего напряжения переход закрыт.

При противоположной полярности внешнего напряжения толщина запирающего слоя уменьшается, сопротивление p-n-перехода также уменьшается. Возникает сравнительно большой ток, называемый прямым, а переход - открытым.

а) б)

Рисунок 7 – p-n-перехода во внешнем электрическом поле:

а) обратном, б) прямом

Зависимость тока через переход от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой перехода I=f(U) (рис.8).

Часть характеристики I_пр=f(U_пр) называется прямой ветвью, так как она соответствует прямому включению перехода. На участке 1 запирающая ЭДС перехода больше внешней ЭДС внешнего источника Е_зап>Е_вн, и ток через переход мал. На участке 2 запирающая ЭДС меньше внешней - Е_зап<Е_вн, переход открывается и протекает достаточно большой ток.

Обратная ветвь характеристики I_обр=f(U_обр) соответствует закрытому состоянию перехода. Участок 3 - запирающий слой препятствует движению свободных носителей и ток мал, 4 - пробой p-n-перехода, ток резко возрастает.

Рисунок 8 – Вольт-амперная характеристика p-n-перехода