Полупроводниковые приборы благодаря их свойствам активно используются в современных электронных устройствах, в частности, в солнечных батареях и фотоэлементах. Особую роль играет способность создавать полезный ток под воздействием солнечного света или при изменении физических характеристик окружающей среды. В микроэлектронике используют примесные полупроводники.
Полупроводники с электронной и дырочной проводимостью
Согласно теории полупроводников, примесные полупроводники формируются путём добавления небольшого количества примесей. В зависимости от типа примеси получают полупроводник:
- n-тип с электронной проводимостью;
- p-тип с дырочной.
В первом типе устройств основными носителями заряда являются электроны. Их большое количество появляется путём добавления в кристаллы чистых полупроводников (германия или кремния) примеси с пятью электронами во внешней оболочке (например, фосфор или сурьму). Это повышает проводимость.
В дырочном типе полупроводников основными носителями заряда являются положительные ионы, которые формируются добавлением трёхвалентной примеси к кристаллу чистого полупроводника, например, к кремнию добавляют бор, алюминий или барий. Три из четырёх электронов с внешней оболочки кремния образуют ковалентную связь с бором, оставляя пустое пространство (дырку). Когда температура полупроводника поднимается, электрон из ковалентной связи перескакивает в дырку, чтобы заполнить пустое пространство, оставляя дырку позади. Таким образом, главными частицами, переносящими заряд, становятся положительно заряженные дырки.
Теория p-n перехода
В электронике наиболее широко используется сочетание в одном полупроводнике зон дырочной и электронной проводимости, образующих плоскостные и точечные p-n переходы.
P-n переход — граница между двумя типами полупроводниковых кристаллов, соединённых в одном полупроводниковом приборе.
Такие переходы являются элементарными «строительными блоками» большинства полупроводниковых устройств:
- диодов;
- транзисторов;
- солнечных батарей;
- светодиодов;
- интегральных микросхем.
Когда разные типы полупроводниковых кристаллов контактируют, свободные электроны из полупроводника n-типа мигрируют в него за счёт диффузии и вступают во взаимодействие с дырками (их суммарный заряд становится равен нулю). Но часть электронов не компенсируется положительным зарядом, образуя отрицательно заряженный слой на границе p-области.
Очевидно, что этот слой вызовет движение свободных электронов в n-области, которые будут отталкиваться под действием кулоновских сил и оставлять на своих местах положительный заряд. На границе n-области появится слой, заряженный положительно.
Эти два слоя будут вести себя как потенциальный барьер (запирающий слой), который называют p-n переходом.
Если p-n переход поместить во внешнее электрической поле (подключить источник тока), то поле будет влиять на сопротивление потенциального барьера:
- Направление вектора напряжённости внешнего электрического поля совпадает с направлением поля запирающего слоя, то основные носители заряда не движутся. За счёт движения неосновных носителей существует слабый ток. Это включение полупроводника называют обратным или запертым состоянием.
- Направление внешнего поля имеет противоположное направление полю p-n области, то существует ток основных носителей заряда. Говорят, что устройство находится в прямом проводящем состоянии.
Можно сделать вывод, что устройство с p-n переходом пропускает ток только в одном направлении.