1. Ток проводимости. Ток проводимости возникает в полупроводниках за счет перемещения электрических зарядов под действием электрического поля.
2. Ток диффузии. Током диффузии называется перемещение электрических зарядов за счет разности концентраций этих зарядов.
Электронно-дырочным переходом называют контакт между полупроводниками, обладающими соответственно электронной и дырочной проводимостью. Такой переход сокращенно называют р—n -переходом. Рассмотрим явления на переходе.
До соединения оба полупроводника были электрически нейтральны. После соединения, за счет разности концентраций, возникает диффузия электронов в р-область, где они рекомбинируют с основными носителями, и дырок в n-область. В результате этого р-область зарядится отрицательно, а n-область положительно и между ними возникнет электрическое поле . Участок соприкосновения будет обеднен свободными носителями. Этот участок получил название запорного слоя. Возникшее электрическое поле прекратит дальнейшую диффузию зарядов, и на переходе возникнет равновесие.
Установившееся равновесие—динамическое. За счет температуры в запорном слое все время генерируются пары, которые под действием электрического поля создают ток проводимости, направленный от п к р- области. Ток проводимости уменьшает величину электрического поля (потенциальный барьер), что приводит к поддержанию тока диффузии, направленного от р к n-области. Таким образом, через р—n- переход все время проходят два тока — ток диффузии и ток проводимости, равные по величине и обратные по направлению. Величина тока проводимости определяется температурой и изменяется по закону экспоненты. Для практических расчетов можно считать, что ток проводимости увеличивается в два раза при изменении температуры на 10°.
Прямым р-n переходом называется переход, подключенный к источнику напряжения. Причем р - область подключена к плюсу, а n-область к минусу источника. В результате такого подключения внешнее поле источника накладывается на внутреннее поле перехода и потенциальный барьер уменьшается. Так как ток проводимости зависит только от температуры, то он остается постоянным. Ток диффузии увеличивается, и результирующий ток через переход равен их разности и имеет направление тока диффузии. Увеличение тока диффузии происходит потому, что через переход могут диффундировать только те дырки, энергия которых больше величины потенциального барьера. Распределение дырок по энергетическим уровням описывается распределением Максвелла, а следовательно, при уменьшении величины потенциального барьера ток диффузии увеличивается по экспоненте.
Обратным переходом называется переход, образованный при подключении р-области к минусу источника, а n-области к его плюсу. В этом случае потенциальный барьер увеличивается.
При отсутствии внешнего электрического поля дырки перемещаются хаотически. Если же приложить к кристаллу разность потенциалов, то под действием созданного электрического поля движение дырок и электронов становится упорядоченным и в кристалле возникает электрический ток. Таким образом, проводимость полупроводника обусловлена перемещением как отрицательно заряженных электронов, так и положительно заряженных дырок. Соответственно различают два типа проводимости — электронную, или проводимость n-типа, и дырочную, или проводимость р-типа.
Для создания полупроводниковых элементов широко применяют примесные полупроводники. С четырехвалентным германием и кремнием используют пятивалентные примеси (мышьяк, сурьму, фосфор) и трехвалентные примеси (бор, алюминий, индий, галлий).
В случае пятивалентной примеси четыре валентных электрона примесного атома совместно с четырьмя электронами соседних атомов основного вещества образуют ковалентные связи, а пятый валентный электрон оказывается «лишним». В результате даже при комнатной температуре «лишние» электроны легко освобождаются от своих атомов, переходя в зону проводимости. В таких полупроводниках электропроводность обеспечивается главным образом избытком свободных электронов. Их называют полупроводниками n-типа, а примеси — донорными.
За счет тепловой энергии в полупроводнике n-типа могут образоваться и отдельные дырки при генерации пар «свободный электрон — дырка». Поэтому электроны в полупроводнике n-ти-па называют основными, а дырки — неосновными носителями зарядов.
При введении трехвалентной примеси в одной из ковалентных связей примесного атома и атома основного полупроводника отсутствует электрон, т.е. образуется дырка. Разрешенные энергетические уровни валентных зон примеси и основного полупроводника находятся рядом. Электрон валентной зоныатома основного полупроводника легко захватывается трехвалентным атомом примеси, в результате чего дырка образуется уже в атоме основного полупроводника и перемещается, таким образом, по кристаллической решетке. Дырки в таких полупроводниках становятся основными носителями зарядов, создавая эффект перемещения положительных зарядов. Трехвалентные примеси называют акцепторными, а полупроводники с такой примесью — полупроводниками р-типа. Неосновными носителями в этом случае выступает небольшое количество свободных электронов, образовавшихся в результате тепловой генерации пар «свободный электрон — дырка».
Тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник p-типа, а другая n-типа, называют p-n-переходом. Концентрации основных носителей заряда в р- и n-областях могут быть равны или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называют симметричным, во втором — несимметричным. Чаще используют несимметричные переходы.
Пусть концентрация акцепторной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области.Соответственно и концентрация дырок в р-области будет больше, чем концентрация электронов в n-области.
За счет диффузии дырки из p-области и электроны из «-области стремятся равномерно распределиться по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из р-области в n-область, рекомбинируют с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В то же время уход этих дырок из р-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области.
Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов, приводящее к тому же эффекту. В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется узкий, в доли микрона, приграничный слой, одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая — положительно (n-область).
Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциаловили потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны n-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из р-области, — отрицательным зарядом. Таким образом, образуется p-n-переход, представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей — так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление.
Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов, потенциальный барьер сужается, через него начинает течь ток. С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.
Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток — прямым, При подаче такого напряжения p-n-переход открыт.
Если к p-n-структуре приложить напряжение обратной полярности, эффект будет противоположным. Под действием электрического поля источника дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны n-области — к положительному потенциалу. Таким образом, основные носители зарядов отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину p-n-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление p-n-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения p-n-переход закрыт.
Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока Iобр. Этот ток в отличие от прямого определяется носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар «свободный электрон — дырка» под воздействием температуры. Значение обратного тока практически не зависит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается постоянным, и даже при Uобр в доли вольт все носители участвуют в создании обратного тока.
При подаче обратного напряжения p-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются p- и n-области, разделенные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет приграничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость р-n-перехода называют барьерной. Она тем больше, чем меньше ширина p-n-перехода и чем больше его площадь.