Электропроводимость материала зависит от количества электронов ядра, способных занимать верхние энергетические уровни и свободно перемещаться по кристаллической решетке. У проводников большое количество свободных электронов, у диэлектриков валентные электроны удерживаются ковалентными связями, у полупроводников структура как у диэлектриков, но ковалентные связи значительно слабее. Достаточно небольшого количества энергии, получаемой из внешней среды (температура, освещённость, сильное электрическое поле) чтобы электроны полупроводника разорвали ковалентные связи и стали свободными.
В полупроводниковых приборах применяются примесные полупроводники. Примеси, которые различают на донорные и акцепторные, придают полупроводникам определенные устойчивые свойства.
Примесь, при которой имеется недостаток электронов (pi>ni – концентрация дырок больше концентрации электронов), называется акцепторной примесью. Полупроводник, у которого pi>ni, называется полупроводником с дырочным типом проводимости, или полупроводником p-типа. В полупроводнике p-типа дырки называются основными носителями заряда, а электроны – неосновными носителями заряда.
Если в полупроводник ввести донорную примесь, то концентрация свободных электронов будет превышать концентрацию дырок. Примесь, за счёт которой ni>pi, называется донорной примесью. Полупроводник, у которого ni>pi, называется полупроводником с электронным типом проводимости, или полупроводником n-типа.
Принцип действия полупроводниковых приборов основан на специфике процессов, протекающих на границе соединенных p- и n- слоев, в так называемом электронно-дырочном переходе (p-n- переходе).
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт которого электроны из n -области переходят в p -область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p-область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела. И если приложить внешнее электрическое поле полюсом к n-области, то внешнее электрическое поле будет направлено встречно с внутренним и ширина p-n-перехода увеличится, а протекаемый ток будет практически равен нулю.
Распределение потенциала по ширине полупроводника:
Если приложить внешнее напряжение плюсом к p-области, то внешнее электрическое поле будет направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Говорят, что p-n- переход смещается в прямом направлении. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.
ВАХ p-n- перехода:
Смещение p-n-перехода в прямом и обратном направлении
Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током можно пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону.