Таким образом, введение примеси создает в полупроводнике некоторый избыток отрицательных или положительных носителей заряда, способных по нему перемещаться. Полупроводник становится электропроводным.

При добавках трёхвалентной примеси (акцепторов типа In) получают полупроводник p -типа, а при добавках пятивалентной примеси (доноров типа As) – полупроводник n -типа.

5. Формирование p-n -перехода

При сплавлении двух полупроводников различных типов, вследствие диффузии электронов из n -области в р -область и одновременно дырок из p -области в n -область, и взаимной рекомбинации электронов со свободными дырками в р -области и дырок со свободными электронами в n -области, по обе стороны от границы раздела создаётся область объемного заряда, называемая запирающий (барьерный) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью Е _з электрического поля, которая препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда (рис. 1.2, а).

Потенциальная энергия электрического поля

где U _к – контактная разность потенциалов; q _e = -1,602·10^-19 Кл – заряд электрона.

Рассмотрим процессы в p-n -переходе в элементе с р - и п -областями полупроводника при подключении элемента к внешнему источнику энергии Е. Если к элементу приложить обратное напряжение (рис. 1.2, б), то создаваемая им напряженность E электрического поля повышает потенциальный барьер p-n -перехода и препятствует переходу электронов из n -слоя в p -область и дырок из p -слоя в n -область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n -области и электронов из p -области), их экстракция, образует обратный ток I ₀, обусловленный собственной генерацией носителей заряда в полупроводнике под воздействием температуры.

Отметим, что приложение обратного напряжения к элементу приводит к снижению концентраций носителей заряда в обоих слоях р-п- перехода, соответственно, к увеличению его ширины и сопротивления.

Если включить источник энергии Е к элементу, как это показано на рис. 1.2, в, то создаваемая им напряженность электрического поля будет противоположной направлению напряженности Е _з объемного заряда, и в область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновными для n -области носителями заряда), которые образуют прямой ток I _пр..

При напряжении 0,3-0,5 В запирающий слой исчезнет и ток I _пр определяется только сопротивлением р - и п -областей полупроводника. Встречной инжекцией электронов в р -область можно пренебречь, так как концентрация основных носителей заряда (дырок), как правило, значительно больше в p -области, чем концентрация свободных электронов в n -области, т.е. _{N a} >> N _д, где N _a и N _д – концентрации акцепторов и доноров в p - и n -областях.

Область кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей, называют эмиттером, а вторую, с меньшей концентрацией, – базой.

Анализ процессов, происходящих в p-n -переходе при его подключении к источнику постоянного напряжения, показал, что он обладает односторонней проводимостью.

Диод и его свойства

Диод (VD) – полупроводниковый прибор с одним p-n -переходом, имеющий два вывода: вывод А (анод) от р- области и вывод К (катод) от п -области.

Функционирование диода в электрической цепи определяется его вольт-амперной характеристикой (ВАХ) I (U), т.е. зависимостью тока I, протекающего через диод, от значения и полярности приложенного к нему напряжения U (рис. 1.3, а). ВАХ идеального полупроводникового диода имеет вид, показанный на рис. 1.3, б. Отличие ВАХ реального диода (а) от идеальной характеристики (б) (см. рис. 1.3) обусловлено следующими причинами:

· напряжение на диоде равно сумме напряжений на собственных сопротивлениях р - и п -областей полупроводника, на контактах выводов с ними и на р-п -переходе. С увеличением прямого тока I _пр напряжение на р-п -переходе уменьшается практически до нуля, поэтому напряжение на диоде, в основном, определяется падением напряжения на собственном сопротивлении полупроводника. В результате ВАХ диода становится практически линейной,

· реальный обратный ток I ₀ диода складывается из токов генерации носителей в теле полупроводника и тока утечки, вызванной краевыми эффектами в кристалле. Поэтому суммарный обратный ток увеличивается с увеличением обратного напряжения,

· при прямом включении диода сопротивление p-n- перехода снижается, прямой ток I _пр возрастает, а при обратном его включении ток I ₀ неосновных носителей заряда оказывается во много сотен или тысяч раз меньше прямого тока I _пр.

При значительном увеличении обратного напряжения на диоде начинается лавинообразный процесс нарастания обратного тока I ₀, обусловленный эффектом ударной ионизации (энергия свободных носителей заряда становится достаточной для выбивания дополнительных носителей заряда из кристаллической решетки полупроводника), т.е. происходит электрический пробой p-n -перехода, переходящий (если не ограничить ток) в необратимый тепловой пробой, разрушающий диод.

Так как напряжение на полностью открытом диоде не превышает 0,5-2 В, для приближенных расчетов диод рассматривают как вентиль: открыт-закрыт, имеющий ВАХ, изображенную на рис. 1.3, б.