Л Е К Ц И Я № 15
В подавляющем большинстве устройств, используемых в настоящее время в технике, главной частью является контакт двух примесных полупроводников, обладающих различной проводимостью, так называемый электронно-дырочный переход или p - n -переход.
Контакт между n - и p -типами полупроводников можно получить:
1) путем прямого тесного соединения двух образований, имеющих различные типы проводимости (но такой контакт очень плох, т. к. существуют окисные пленки, различные дефекты и др.);
2) методом вплавления – при этом вплавленный p - n -переход характеризуется почти скачкообразным изменением типа проводимости и поэтому называется резким p - n -переходом;
3) методом диффузии – такой переход образуется в результате диффузии акцепторной примеси из газообразной или жидкой фазы в донорный полупроводник или, наоборот, донорной примеси в акцепторный полупроводник.
В полупроводнике n-типаосновными носителями заряда являются электроны, отданные донорами в зону проводимости. Здесь же есть и небольшое число дырок (неосновных носителей), образованных за счет перехода электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости.
В полупроводнике р-типаосновными носителями заряда являются дырки. Кроме того, здесь имеется небольшое количество электронов (неосновных носителей), которые перешли непосредственно из валентной зоны в зону проводимости в результате теплового движения электронов.
 |
После приведенных в контакт двух полупроводников с разной проводимостью через границу раздела начинается диффузия электронов и дырок.
Электроны из полупроводника n -типа диффундируют в полупроводник p -типа, при переходе через границу раздела электроны встречаются с дырками и рекомбинируют (электроны и дырки уничтожают друг друга). И на границе полупроводника p -типа начинает накапливаться нескомпенсированный отрицательный заряд ионов решетки, который прекращает диффузию электронов.
Дырки из полупроводника p -типа диффундируют в полупроводник n -типа, при переходе через границу раздела дырки встречаются с электронами и рекомбинируют (дырки и электроны уничтожают друг друга). И на границе полупроводника n -типа начинает накапливаться нескомпенсированный положительный заряд ионов решетки, который прекращает диффузию дырок.
Разделение зарядов на границе двух полупроводников приводит к созданию запирающего электрического поля с напряженностью 
, которое не дает ни электронам, ни дыркам двигаться через границу раздела – говорят, образовался p - n -переход.
Образование p - n -перехода можно объяснить с помощью зонной теории твердых тел.
 |
В полупроводнике n -типа уровень Ферми расположен выше, чем в полупроводнике p -типа. Это значит, что <W> электронов в полупроводнике n -типа выше, чем в полупроводнике p -типа (электроны полупроводника n -типа «горячее» электронов полупроводника p -типа).
После приведения в контакт полупроводников с разной проводимостью стремление электронов занять состояния с меньшей энергией приведет к появлению диффузии электронов.
.
,
.
Переход «горячих» электронов из полупроводника n -типа в полупроводник p -типа, где электроны «холодные», приводит к снижению средней энергии в полупроводнике n -типа и к повышению средней энергии в полупроводнике р -типа (это приводит к смещению энергетических зон).
Диффузия будет проходить до тех пор, пока уровень Ферми в обоих полупроводниках не сравняется.
 |
т. к. 
, тогда 
!
Смещение зон относительно друг друга приводит к образованию потенциального барьера, который электроны самостоятельно преодолеть не могут.
Все замечательные свойства p - n -перехода проявляются при включении его в электрическую цепь.
Различают прямое и обратное включения.
Прямое включение
Напряженность внешнего электрического поля направлена навстречу запирающему и снижает его действие. Поэтому при прямом включении через переход течет электрический ток. И чем больше напряженность внешнего поля, тем больше величина силы прямого тока.
При прямом включении полупроводник n -типа получает от внешнего источника дополнительные «более горячие» электроны и <W> электронов в полупроводнике n -типа увеличивается. И из полупроводника p -типа электроны уходят, что снижает <W> электронов в нем.
Это приводит к смещению энергетических зон относительно друг друга и уровни Ферми вновь оказываются не на одной высоте.
Работа внешнего электрического поля
.
При этом высота потенциального барьера между энергетическими зонами полупроводников с разной проводимостью уменьшается. И чем больше внешнее напряжение U, тем ниже потенциальный барьер, а значит больше сила тока прямого включения.
 |
(Сопротивление p - n -перехода при прямом включении снижается)
.
Обратное включение
Напряженность внешнего электрического поля направлена в ту же сторону, что и запирающее и усиливает его действие. Электрического тока через p - n -переход не должно быть.
Но эксперимент показывает, что при обратном включении есть небольшой обратный ток (~ в 103 раз меньше прямого тока).
Обратный ток объясняется наличием в полупроводниках неосновных носителей заряда (в полупроводниках n -типа – дырок, а в полупроводниках p -типа – электронов). Т. к. их небольшое количество, то они все вовлекаются в процесс переноса зарядов и небольшой ток достигает быстро насыщения.
При обратном включении из полупроводника n -типа уходят электроны и <W> оставшихся электронов снижается, а полупроводник p -типа от внешнего источника получает «более горячие» электроны и <W> электронов в этом полупроводнике увеличивается.
Это приводит к смещению энергетических зон относительно друг друга и уровни Ферми оказываются вновь не на одной высоте, но при этом 
, т. е. 
.
Тогда работа внешнего электрического поля при обратном включении
.
При этом высота потенциального барьера между энергетическими зонами полупроводников с разной проводимостью еще более возрастает, препятствуя току основных носителей.
 |
откуда 
при U = 0, I обр = 0, при 
(ток неосновных носителей заряда).
Т. к. p - n -переход в прямом направлении хорошо пропускает электрический ток, а в обратном направлении практически не пропускает, то такое устройство стали называть полупроводниковым диодом.
Полупроводниковые диоды нашли широкое применение в качестве полупроводниковых элементов в выпрямителях электрического тока (где переменный ток преобразуется в постоянный).
А если привести в контакт три полупроводника с разной проводимостью n - p - n или p - n - p, то такое устройство будет еще и обладать свойством управления сигналами - полупроводниковый транзистор.
 |
Соединение большого количества полупроводников с разной проводимостью – интегральная схема (широкое использование в микроэлектронике).