Joncţiunea P-n. Joncțiune Pn Cristal semiconductor cu joncțiune cu gaură de electroni

Marea majoritate a dispozitivelor semiconductoare moderne funcționează datorită fenomenelor care apar chiar la granițele materialelor care au diferite tipuri de conductivitate electrică.

Există două tipuri de semiconductori - n și p. O caracteristică distinctivă a materialelor semiconductoare de tip n este aceea că elementele încărcate negativ acționează ca purtători de sarcină electrică. electroni. În materialele semiconductoare de tip p, același rol îl joacă așa-numitele găuri, care sunt încărcate pozitiv. Ele apar după ce un atom este rupt electron, și de aceea se formează o sarcină pozitivă.

Monocristalele de siliciu sunt folosite pentru a produce materiale semiconductoare de tip n și p. Caracteristica lor distinctivă este un grad extrem de ridicat de puritate chimică. Este posibil să se schimbe semnificativ proprietățile electrice ale acestui material prin introducerea în el a impurităților care sunt destul de nesemnificative la prima vedere.

Simbolul „n” folosit în semiconductori provine de la cuvântul „ negativ» (« negativ"). Principalii purtători de sarcină în materiale semiconductoare de tip n sunt electroni. Pentru a le obține, în siliciu se introduc așa-numitele impurități donatoare: arsen, antimoniu, fosfor.

Simbolul „p” folosit în semiconductori provine de la cuvântul „ pozitiv» (« pozitiv"). Principalii purtători de taxe din ele sunt găuri. Pentru a le obține, în siliciu se introduc așa-numitele impurități acceptoare: bor, aluminiu.

Număr de liber electroni si numarul găuriîntr-un cristal semiconductor pur este exact același. Prin urmare, atunci când un dispozitiv semiconductor este într-o stare de echilibru, fiecare dintre regiunile sale este neutră din punct de vedere electric.

Să luăm ca punct de plecare că regiunea n este strâns legată de regiunea p. În astfel de cazuri, între ele se formează o zonă de tranziție, adică un anumit spațiu care este epuizat de sarcini. Se mai numeste si " strat de barieră", Unde găuriȘi electroni, suferă recombinare. Astfel, la joncțiunea a doi semiconductori care au diferite tipuri de conductivitate, o zonă numită joncțiune p-n.

În punctul de contact dintre semiconductori de diferite tipuri, găurile din regiunea de tip p urmează parțial în regiunea de tip n, iar electronii, în consecință, se mișcă în direcția opusă. Prin urmare, un semiconductor de tip p este încărcat negativ, iar un semiconductor de tip n este încărcat pozitiv. Această difuzie, totuși, durează numai până când câmpul electric care apare în zona de tranziție începe să interfereze cu acesta, rezultând în mișcare și e electroni, Și găuri se opreste.

În dispozitivele semiconductoare produse industrial pentru utilizare joncțiune p-n trebuie să i se aplice o tensiune externă. În funcție de polaritatea și magnitudinea ei, depinde comportamentul tranziției și curentul electric care trece direct prin ea. Dacă polul pozitiv al sursei de curent este conectat la regiunea p, iar polul negativ este conectat la regiunea n, atunci are loc conexiunea directă joncțiune p-n. Dacă polaritatea este schimbată, va apărea o situație numită comutare inversă. joncțiune p-n.

Conexiune directa

Când se realizează conexiunea directă joncțiune p-n, apoi sub influența tensiunii externe se creează un câmp în ea. Direcția sa față de direcția câmpului electric de difuzie intern este opusă. Ca rezultat, intensitatea câmpului rezultat scade, iar stratul de blocare se îngustează.

Ca rezultat al acestui proces, un număr considerabil de purtători de sarcină principale se deplasează în regiunea vecină. Aceasta înseamnă că din regiunea p în regiunea n va curge curentul electric rezultat găuri, iar în sens invers - electroni.

Comutare inversă

Când are loc comutarea inversă joncțiune p-n, atunci în circuitul rezultat puterea curentului este semnificativ mai mică decât în ​​cazul conexiunii directe. Adevărul este că găuri din regiunea n vor curge în regiunea p, iar electronii vor curge din regiunea p în regiunea n. Puterea scăzută a curentului se datorează faptului că în regiunea p este puțin electroni, iar în regiunea n, respectiv, – găuri.

Pe baza capacității lor de a conduce curentul electric, solidele au fost inițial împărțite în conductori și dielectrici. Mai târziu s-a observat că unele substanțe conduc curentul electric mai rău decât conductorii, dar nici nu pot fi clasificate ca dielectrici. Ele au fost separate într-un grup separat de semiconductori. Diferențele caracteristice între semiconductori și conductori:

1. Dependența semnificativă a conductivității semiconductorilor de temperatură.
2. Chiar și o cantitate mică de impurități are o influență puternică asupra conductivității semiconductorilor.
3. Influența diferitelor radiații (lumină, radiații etc.) asupra conductivității acestora. Conform acestor caracteristici, semiconductorii sunt mai aproape de dielectrici decât de conductori.

Pentru producția de dispozitive semiconductoare, se utilizează în principal arseniura de germaniu, siliciu și galiu. Germaniul este un element rar împrăștiat în natură, în timp ce siliciul, dimpotrivă, este foarte comun. Cu toate acestea, nu se găsește sub formă pură, ci doar sub formă de compuși cu alte elemente, în principal oxigen. Arseniura de galiu este un compus din arsen și galiu. A început să fie folosit relativ recent. În comparație cu germaniul și siliciul, arseniura de galiu este mai puțin susceptibilă la temperatură și radiații.

Pentru a înțelege mecanismul de funcționare al dispozitivelor semiconductoare, trebuie mai întâi să vă familiarizați cu conductivitatea în semiconductori și cu mecanismul de formare a p

-n tranziții.

Cele mai utilizate semiconductori sunt germaniul și siliciul. Ele aparțin grupei IV a sistemului periodic Mendeleev. Învelișul exterior al unui atom de germaniu (sau siliciu) conține 4 electroni de valență. Fiecare dintre ele formează legături covalente cu cei patru atomi vecini. Sunt formați din doi electroni, fiecare aparținând unuia dintre atomii vecini. Legăturile pereche-electron sunt foarte stabile, prin urmare fiecare pereche de electroni este legată ferm de perechea sa atomică și nu se poate mișca liber în volumul semiconductorului. Acest lucru este valabil pentru un semiconductor pur chimic situat la o temperatură apropiată de 0 K

(zero absolut). Pe măsură ce temperatura crește, atomii semiconductorului încep să sufere o mișcare vibrațională termică. Energia acestei mișcări este transferată electronilor, iar pentru unii dintre ei este suficient să se desprindă de atomii lor. Acești atomi se transformă în ioni pozitivi, iar electronii detașați se pot mișca liber, adică. devin purtători de curent. Mai exact, plecarea unui electron duce la ionizarea parțială a 2 atomi vecini. Singura sarcină pozitivă care apare în acest caz ar trebui să fie atribuită nu unui atom sau altuia, ci încălcării legăturii pereche-electron lăsată de electron. Absența unui electron într-o legătură se numește gaură. Gaura are o sarcină pozitivă egală în valoare absolută cu sarcina electronului. Gaura poate fi ocupată de unul dintre electronii legăturii vecine, iar în legătura vecină se formează o gaură. Tranziția unui electron de la o legătură la alta corespunde mișcării unei găuri în direcția opusă. În practică, este mai convenabil să se ia în considerare mișcarea continuă a unei sarcini pozitive decât mișcarea secvențială a electronilor de la o legătură la o legătură. Conductibilitatea, care apare în volumul unui semiconductor din cauza întreruperii legăturilor, se numește propria conductivitate. Există două tipuri de conductivitate: n - tip și p - tip (din cuvintele negativ - negativ, pozitiv - pozitiv). Conductivitatea de tip n se numește electronică, iar conductivitatea de tip p se numește conductivitate în găuri.

Rețineți că încălcarea legăturilor de valență poate apărea nu numai din cauza energiei termice, ci și din cauza energiei luminoase sau a energiei câmpului electric.

Tot ceea ce am considerat se aplică semiconductorilor puri, adică. la semiconductori fără impurități. Introducerea impurităților modifică proprietățile electrice ale semiconductorului. Atomii de impurități din rețeaua cristalină ocupă locurile atomilor principali și formează legături perechi de electroni cu atomii învecinați. Dacă un atom al unei substanțe aparținând grupei V a sistemului periodic de elemente (de exemplu, un atom de arsen) este introdus în structura unui semiconductor pur (germaniu), atunci acest atom va forma, de asemenea, legături cu atomii de germaniu învecinați. Dar atomii din grupa V au 5 electroni de valență pe învelișul lor exterior. Patru dintre ele formează legături electronice perechi stabile, iar al cincilea va fi de prisos. Acest electron în exces este legat de atomul său mult mai slab, iar pentru a-l smulge de atom este nevoie de mai puțină energie decât pentru a elibera un electron dintr-o legătură pereche-electron. În plus, transformarea unui astfel de electron într-un purtător de sarcină liber nu este asociată cu formarea simultană a unei găuri. Pierderea unui electron din învelișul exterior al unui atom de arsen îl transformă într-un ion pozitiv. Apoi putem vorbi deja despre ionizarea acestui atom; această sarcină pozitivă nu se va mișca, adică. nu este o gaură.

Odată cu creșterea conținutului de arsen într-un cristal de germaniu, numărul de electroni liberi crește fără a crește numărul de găuri, așa cum a fost cazul conductivității intrinseci. Dacă concentrația de electroni depășește semnificativ concentrația de gaură, atunci principalii purtători de curent vor fi electronii. În acest caz, semiconductorul se numește semiconductor de tip n. Acum să introducem un atom din grupa III, de exemplu, un atom de indiu, în cristalul de germaniu. Are trei electroni de valență. Formează legături stabile cu trei atomi de germaniu. A patra legătură rămâne goală, dar nu poartă o sarcină, astfel încât atomul de indiu și atomul de germaniu adiacent rămân neutre din punct de vedere electric. Chiar și cu o ușoară excitație termică, un electron de la una dintre legăturile electronice perechi învecinate se poate muta în această a patra legătură.

Ce se va intampla? Un electron suplimentar va apărea în învelișul exterior al indiului, iar atomul se va transforma într-un ion negativ. Neutralitatea electrică în conexiunea pereche-electronic de la care provine electronul va fi perturbată. Va apărea o sarcină pozitivă - o gaură în această conexiune ruptă. Pe măsură ce conținutul de indiu crește, numărul de găuri va crește și vor deveni principalii purtători de încărcare. În acest caz, semiconductorul se numește semiconductor de tip p.

Tranziția electron-gaură (joncțiunea p – n).

O joncțiune p–n este o regiune situată la interfața dintre găurile și regiunile de electroni ale unui cristal. Tranziția nu este creată prin simpla contact a plăcilor semiconductoare de tip p și n. Este creat într-un singur cristal prin introducerea a două impurități diferite, creând regiuni de electroni și găuri în el.

Fig.1. Mecanismul de formare și acțiune a joncțiunii p – n.

a – purtători majoritari și minoritari în regiunile semiconductoare.

b – formarea unei joncțiuni p–n.

c – sensul curgerii curentului de difuzie și curentului de conducere.

d – joncțiunea p–n sub influența tensiunii externe inverse.

1 – electroni; 2 – gauri; 3 – interfață; 4 – ioni imobili.

Să considerăm un semiconductor în care există două regiuni: electron și gaură. În primul există o concentrație mare de electroni, în al doilea există o concentrație mare de găuri. Conform legii egalizării concentrației, electronii au tendința de a se deplasa (difuza) din regiunea n -, unde concentrația lor este mai mare, către regiunea p -, în timp ce găurile fac invers. Această mișcare a sarcinilor se numește difuzie. Curentul care apare în acest caz este difuziunea. Egalizarea concentrațiilor ar avea loc până când găurile și electronii sunt distribuite uniform, dar acest lucru este împiedicat de forțele câmpului electric intern emergent. Găurile care părăsesc regiunea p lasă atomi ionizați negativ în ea, iar electronii care părăsesc regiunea n lasă atomi ionizați pozitiv. Ca rezultat, regiunea găurii devine încărcată negativ, iar regiunea electronilor devine încărcată pozitiv. Între regiuni apare un câmp electric creat de două straturi de sarcini.

Astfel, în apropierea interfeței dintre regiunile de electroni și goluri ale semiconductorului, apare o regiune formată din două straturi de sarcini de semn opus, care formează așa-numita joncțiune p–n. Se stabilește o barieră potențială între regiunile p și n. În cazul în cauză, în interiorul joncțiunii p–n formate există un câmp electric E creat

două straturi de sarcini opuse. Dacă direcția electronilor care intră în câmpul electric coincide cu aceasta, atunci electronii sunt încetiniți. Pentru găuri este invers. Astfel, datorită câmpului electric rezultat, procesul de difuzie se oprește. FIGURA 1 arată că în ambele regiuni n- și p există purtători de taxe majoritari și minoritari. Purtătorii minoritari se formează datorită conductivității intrinseci. Electronii regiunii p, efectuând mișcare haotică termică, intră în câmpul electric al joncțiunii p-n și sunt transferați în regiunea n. Același lucru se întâmplă cu găurile din regiunea n. Curentul format din purtătorii majoritari se numește curent de difuzie, iar purtătorii minoritari se numesc curent de conducere. Acești curenți sunt direcționați unul către celălalt și, deoarece într-un conductor izolat curentul total este zero, ei sunt egali. Să aplicăm acum o tensiune externă joncțiunii cu un plus regiunii n - și un minus regiunii p. Câmpul creat de sursa externă va spori acțiunea câmpului intern al joncțiunii p–n. Curentul de difuzie va scădea la zero, deoarece electronii din regiunea n - și găurile din regiunea p - sunt transportați de la joncțiunea p - n către contactele externe, în urma cărora joncțiunea p - n se extinde. Prin joncțiune trece doar curentul de conducere, numit curent invers. Este alcătuit din curenți de conducție de electroni și orificii. Tensiunea aplicată în acest mod se numește tensiune inversă. Dependența curentului de tensiune este prezentată în figură.

Orez. Caracteristica curent-tensiune a joncțiunii p-n. 2 – ramură directă; 1 – ramură inversă.

Dacă se aplică o tensiune externă cu un plus regiunii p și un minus regiunii n, atunci câmpul electric al sursei va fi îndreptat către câmpul joncțiunii p-n și va slăbi efectul acestuia. În acest caz, curentul de difuzie (direct) (2) va crește. Acest fenomen stă la baza funcționării unei diode semiconductoare.

Granița dintre două regiuni adiacente ale unui semiconductor, una cu conductivitate de tip n și cealaltă cu conductivitate de tip p, se numește joncțiune electron-gaură (joncțiune p-n). Este baza majorității dispozitivelor semiconductoare. Cele mai utilizate sunt joncțiunile p-n planare și punctiforme.

O joncțiune plană p-n este un element de contact stratificat în cea mai mare parte a unui cristal la limita a doi semiconductori cu conductivități de tip p și n
(Fig. 1.2, a). La producerea dispozitivelor semiconductoare și a circuitelor integrate se folosesc joncțiuni de tip p+-n- sau p-n+. Indicele „+” subliniază conductivitatea electrică ridicată a acestei regiuni a monocristalului.

Orez. 1.2 Joncțiunile p-n planare (a) și punctul (b).

Să luăm în considerare procesele fizice dintr-o joncțiune p-n plană (Fig. 1.3). Deoarece concentrația de electroni într-un semiconductor de tip n este semnificativ mai mare decât într-un semiconductor de tip p și, dimpotrivă, într-un semiconductor de tip p există o concentrație mare de găuri, o diferență (gradient) în concentrația de găuri dp/dx și electronii dn/dx sunt creați la interfața dintre semiconductori. Acest lucru determină o mișcare de difuzie a electronilor din regiunea n în regiunea p și găuri în direcția opusă. Densitățile găurii și ale componentelor electronice ale curentului de difuzie, cauzate de mișcarea purtătorilor majoritari, sunt determinate de expresiile:

unde Dn și Dp sunt coeficienții de difuzie ai electronilor și, respectiv, a găurilor.

Densitatea totală de curent prin joncțiunea p-n este determinată de suma componentelor de difuzie și deriva ale densităților de curent, care sunt egale în absența tensiunii externe. Deoarece fluxurile de difuzie și deriva ale sarcinilor prin joncțiunea p-n se mișcă în direcția opusă, se compensează reciproc. Prin urmare, într-o stare de echilibru, densitatea totală de curent prin joncțiunea p-n este egală cu

Prezența unui strat electric dublu determină apariția unei diferențe de potențial de contact în joncțiunea p-n, care suferă cea mai mare modificare la limita semiconductorilor de tip n-p și se numește bariera de potențial jк. Mărimea barierei de potențial este determinată de ecuație

unde jT = kT/q – potențial termic (la temperatură normală, adică la T = 300 K jT » » 0,026 V); рп și np – concentrația de găuri și electroni în semiconductori de tip n și p. Pentru joncțiuni de germaniu jT = (0,3 – 0,4) V, pentru joncțiuni de siliciu jT = (0,7 – 0,8) V.

Dacă conectați o sursă externă de tensiune la joncțiunea p-n în așa fel încât plusul să fie aplicat regiunii semiconductorului de tip n, iar minusul regiunii semiconductorului de tip p (această conexiune se numește inversă, Fig. .1.4), apoi stratul de epuizare se extinde, deoarece sub influența tensiunii externe, electronii și găurile sunt deplasate de la joncțiunea p-n în direcții diferite. În acest caz, înălțimea barierei de potențial crește și devine egală cu jк+ u (Fig. 1.5), deoarece tensiunea de polarizare externă este activată în funcție de diferența de potențial de contact.

Fig 1.4 Prejudecăți de tranziție inversă

Fig 1.5 Schimbarea barierei de potențial

Deoarece tensiunea sursei externe este aplicată contrar diferenței de potențial de contact, bariera de potențial este redusă cu cantitate u(cm.
orez. 1.7), iar condițiile sunt create pentru injectarea purtătorilor majoritari - găuri din semiconductor p-tip semiconductor n-tip, iar electronii - în sens invers. În același timp, prin p—n-tranziția unui curent mare înainte curge datorită purtătorilor majoritari de sarcină. O scădere suplimentară a barierei de potențial duce la o creștere a curentului direct cu o valoare constantă a curentului de deriva inversă.

În timpul prelucrării tehnologice a unui cristal, o impuritate este introdusă în așa fel încât concentrația acesteia și, prin urmare, concentrația purtătorilor majoritari într-una dintre regiunile cristalului (de obicei într-un semiconductor de tip p) este de două până la trei ordine. de magnitudine mai mare decât concentrația de impurități din altă regiune. Regiunea cu concentrație mare de impurități (regiune cu rezistivitate scăzută) este principala sursă de purtători de sarcină mobili prin p—n-tranzitia se numeste emitator. Regiunea cu concentrație scăzută de impurități este de mare rezistență și se numește bază. Prin urmare, componenta dominantă a curentului direct care curge prin p—n-tranzitie si formata din componente de electroni si gauri, va fi cea care este determinata de principalii purtatori de sarcina ai regiunii cu concentratia lor mai mare

euetc =eup +eun =eu 0(UEetc / j T — 1). (1.11)

Când | U pr | >>j T tranziția dispare în esență, iar curentul este limitat doar de rezistența (unități și chiar zeci de ohmi) a regiunii de bază r b .

Caracteristica curent-tensiune (CVC) p—n-tranziția, construită pe baza expresiilor (1.10) și (1.11), are forma prezentată în Fig. 1.8. Regiunea caracteristicii curent-tensiune situată în primul cadran corespunde conexiunii directe p—n-tranzitie, iar cel situat in al treilea cadran este in sens invers. După cum sa menționat mai sus, atunci când tensiunea inversă este suficient de mare, are loc o defecțiune a joncțiunii. O defecțiune este o schimbare bruscă a modului de funcționare al unei joncțiuni sub tensiune inversă.

O trăsătură caracteristică a acestei modificări este o scădere bruscă a rezistenței diferențiale a joncțiunii r diferential= du/di(tu și i– tensiunea de tranziție și respectiv curentul de tranziție). După începerea defecțiunii, o ușoară creștere a tensiunii inverse este însoțită de o creștere bruscă a curentului invers. În timpul procesului de defalcare, curentul poate crește în timp ce tensiunea inversă rămâne neschimbată și chiar scade (în mărime) (în acest din urmă caz, rezistența diferențială se dovedește a fi negativă). Pe caracteristica curent-tensiune a tranziției (Fig. 1.9), defalcarea corespunde regiunii unei curbe ascuțite în jos a caracteristicii al treilea cadran.

Orez. 1.8 Caracteristica curent-tensiune (a) și circuitul de comutare al diodei Zener (b)

Există trei tipuri de defalcare p-n-tranzitii: tunel, avalansa si termica. Atât defecțiunile de tunel, cât și de avalanșă sunt denumite în mod obișnuit defecțiuni electrice.

Defalcarea tunelului are loc atunci când distanța geometrică dintre banda de valență și banda de conducere (lățimea barierei) este suficient de mică, atunci apare efectul de tunel - fenomenul electronilor care trec printr-o barieră de potențial. Defalcarea tunelului are loc în R—n- joncțiuni cu o bază având o valoare scăzută a rezistivității.

Orez. 1.9 Caracteristicile I-V ale joncțiunii p-n

Mecanismul de descompunere a avalanșei este similar cu mecanismul ionizării prin impact în gaze. O defalcare de avalanșă are loc dacă, atunci când se deplasează înainte de următoarea ciocnire cu un atom, o gaură (sau electron) dobândește energie suficientă pentru a ioniza atomul. Ca urmare, numărul de purtători crește brusc, iar curentul prin joncțiune crește. Distanța pe care o parcurge un purtător de încărcare înainte de impact se numește calea liberă medie. Defalcarea avalanșelor are loc în joncțiuni cu o bază de rezistivitate ridicată (avand o rezistivitate ridicată). Este caracteristic că, în acest caz, tensiunea de avarie la joncțiune depinde puțin de curentul prin ea (secțiune în scădere abruptă în al treilea cadran al caracteristicii curent-tensiune, vezi Fig. 1.9).

În timpul defecțiunii termice, creșterea curentului se explică prin încălzirea semiconductorului în regiunea joncțiunii pn și creșterea corespunzătoare a conductibilității specifice. Defalcarea termică se caracterizează prin rezistență diferențială negativă. Dacă semiconductorul este siliciu, atunci când tensiunea inversă crește, defecțiunea termică are loc de obicei după defecțiunea electrică (în timpul defecțiunii electrice, semiconductorul se încălzește și apoi începe defectarea termică). După defecțiunea electrică, joncțiunea pn nu își schimbă proprietățile. După defectarea termică, dacă semiconductorul a reușit să se încălzească suficient, proprietățile joncțiunii se modifică ireversibil (dispozitivul semiconductor defectează).

După cum sa menționat deja, datorită difuziei electronilor și găurilor prin joncțiunea p-n, în regiunea de tranziție apar sarcini volumetrice (spațiale) necompensate ale atomilor de impurități ionizate, care sunt fixate în nodurile rețelei cristaline ale semiconductorului și, prin urmare, nu participa la fluxul de curent electric. Cu toate acestea, sarcinile spațiale creează un câmp electric, care, la rândul său, afectează cel mai semnificativ mișcarea purtătorilor liberi de electricitate, adică procesul de flux de curent.

Schimbarea tensiunii externe aplicate joncțiunii pn modifică sarcina spațială volumetrică a stratului de epuizare. În consecință, joncțiunea p-n se comportă ca un condensator plat, a cărui capacitate, determinată de raportul dintre modificarea sarcinii spațiale ¶Q și modificarea tensiunii ¶U atunci când joncțiunea este repornită, se numește capacitatea de barieră și poate se află din ecuație

unde e0 este constanta dielectrică a vidului; e – dielectric relativ

permeabilitate; S- pătrat p- n-tranziție; d– grosimea stratului epuizat (grosime p— n-tranziție).

Schimbarea taxei în p- n- tranziția poate fi cauzată și de o modificare a concentrației de purtători de neechilibru injectați în bază în timpul polarizării directe p— n-tranziție. Raportul dintre mărimea modificării sarcinii injectate și mărimea modificării tensiunii directe determină capacitatea de difuzie p—n-tranziție:
Cu diferential = d Q inginer/dU.Capacitatea de difuzie depășește capacitatea barieră sub polarizarea directă p—n-tranziția are însă o valoare nesemnificativă la părtinire inversă.

Joncțiunea p-n (pe-en) este o regiune a spațiului la joncțiunea a doi semiconductori de tip p și n, în care are loc o tranziție de la un tip de conductivitate la altul, o astfel de tranziție fiind numită și tranziție electron-gaură.

Există două tipuri de semiconductori: tipurile p și n. În tipul n, principalii purtători de sarcină sunt electroni , iar în tipul p cele principale sunt încărcate pozitiv găuri. O gaură pozitivă apare după ce un electron este îndepărtat dintr-un atom și se formează o gaură pozitivă în locul său.

Pentru a înțelege cum funcționează o joncțiune p-n, trebuie să studiați componentele acesteia, adică un semiconductor de tip p și de tip n.

Semiconductori de tip P și n sunt fabricați pe baza de siliciu monocristalin, care are un grad foarte ridicat de puritate, astfel încât cele mai mici impurități (mai puțin de 0,001%) își modifică semnificativ proprietățile electrice.

Într-un semiconductor de tip n, principalii purtători de sarcină sunt electroni . Pentru a le obține se folosesc impurități donatoare, care sunt introduse în siliciu,- fosfor, antimoniu, arsenic.

Într-un semiconductor de tip p, purtătorii de sarcină principali sunt încărcați pozitiv găuri . Pentru a le obține se folosesc impurități acceptoare — aluminiu, bor

Semiconductor n - tip (conductivitate electronică)

Un atom de fosfor impur înlocuiește de obicei atomul principal în locurile rețelei cristaline. În acest caz, cei patru electroni de valență ai atomului de fosfor intră în contact cu cei patru electroni de valență ai celor patru atomi de siliciu învecinați, formând un înveliș stabil de opt electroni. Al cincilea electron de valență al atomului de fosfor se dovedește a fi slab legat de atomul său și sub influența forțelor externe (vibrații termice ale rețelei, câmp electric extern) devine ușor liber, creând concentrație crescută de electroni liberi . Cristalul capătă conductivitate electronică sau de tip n . În acest caz, atomul de fosfor, lipsit de electron, este legat rigid de rețeaua cristalină de siliciu cu o sarcină pozitivă, iar electronul este o sarcină negativă mobilă. În absența forțelor externe, se compensează reciproc, adică în siliciu de tip nse determină numărul de electroni de conducere liberă numărul de atomi de impurități donatori introduși.

Semiconductor p - tip (conductivitatea găurii)

Un atom de aluminiu, care are doar trei electroni de valență, nu poate crea în mod independent un înveliș stabil de opt electroni cu atomi de siliciu învecinați, deoarece pentru aceasta are nevoie de un alt electron, pe care îl ia de la unul dintre atomii de siliciu aflați în apropiere. Un atom de siliciu fără electroni are o sarcină pozitivă și, deoarece poate lua un electron de la un atom de siliciu învecinat, poate fi considerat o sarcină pozitivă mobilă care nu este asociată cu rețeaua cristalină, numită gaură. Un atom de aluminiu care a capturat un electron devine un centru încărcat negativ, legat rigid de rețeaua cristalină. Conductivitatea electrică a unui astfel de semiconductor se datorează mișcării găurilor, motiv pentru care se numește semiconductor cu găuri de tip p. Concentrația în găuri corespunde numărului de atomi de impurități acceptoare introduse.

(IMS). Dispozitivele semiconductoare folosesc proprietatea conductivității unidirecționale p-n-tranzitii. gaură de electroni ei numesc asta p-n- tranziție, care este formată din două regiuni ale unui semiconductor cu diferite tipuri de conductivitate: electronică ( n) și gaura ( p). A primi p-n- trecere prin difuzie sau epitaxie.

În fizica stării solide, gaură este absența unui electron în învelișul de electroni. Pentru a crea găuri în semiconductori, cristalele sunt dopate cu impurități acceptoare. În plus, găurile pot apărea și ca urmare a unor influențe externe: excitarea termică a electronilor din banda de valență în banda de conducție, iluminarea cu lumină sau iradierea cu radiații ionizante.

joncțiune pn(n— negativ— negativ, electronic, p — pozitiv- pozitiv, gaură), sau tranziție electron-gaură- o regiune a spațiului la joncțiunea a doi semiconductori de tip p și n, în care are loc o tranziție de la un tip de conductivitate la altul. Joncțiunea pn este baza pentru diodele semiconductoare, triodele și alte elemente electronice cu o caracteristică curent-tensiune neliniară.

Elementele semiconductoare includ un grup de elemente cu o conductivitate electrică intrinsecă de 10 2 -10 -8 S/m. Conductivitatea electrică (conductivitatea electrică, conductibilitatea) este capacitatea unui corp de a conduce curentul electric, precum și o mărime fizică care caracterizează această capacitate și este inversul rezistenței electrice. În Sistemul Internațional de Unități (SI), unitatea de conductivitate electrică este Siemens.

Conform teoriei benzilor, semiconductorii includ elemente a căror bandă interzisă de energie este<3эВ. Так у германия она равна 0,72 эВ, у кремния 1,11 эВ, у арсенида галия - 1,41 эВ.

Figura 9 - Semiconductor fără impurități Conductorii nu au bandgap.

Conductivitatea electron-gaură apare ca urmare a ruperii legăturilor de valență, fiind proprii conductivitate, care este de obicei scăzută. Sub influența unui câmp electric, a temperaturii și a altor factori externi, proprietățile electrice ale semiconductorilor se modifică într-o măsură mult mai mare decât proprietățile conductorilor și dielectricilor.

Pentru a crește conductivitatea electrică, o cantitate mică este introdusă în semiconductori. impurităţi, rezultă că, în funcție de tipul de impuritate, se obțin ca semiconductori cu conductivitate în orificii (cu adăugarea unei impurități trivalente - acceptori precum indiul (In)), numiți semiconductori. p-tip și semiconductori cu conductivitate electronică (cu adăugarea unei impurități pentavalente - donatori precum arsenul (As)), numiți semiconductori n-tip.

Când diferite tipuri de semiconductori sunt fuzionate, se creează o regiune de încărcare spațială pe ambele părți ale interfeței, numită gaura de electroni sau p-n-tranziție.

Într-un semiconductor de tip p, concentrația de găuri este mult mai mare decât concentrația de electroni. Într-un semiconductor de tip n, concentrația de electroni este mult mai mare decât concentrația de găuri. Dacă se stabilește contactul între doi astfel de semiconductori, va apărea un curent de difuzie - purtătorii de sarcină, mișcându-se haotic, curg din zona în care sunt mai mulți în zona în care sunt mai puțini. Cu o astfel de difuzie, electronii și găurile poartă încărcare cu ei.

În consecință, regiunea de la interfață va deveni încărcată, iar regiunea din semiconductorul de tip p care este adiacentă interfeței va primi o sarcină negativă suplimentară adusă de electroni, iar regiunea de frontieră din semiconductorul de tip n va primi o sarcină pozitivă adusă de găuri. Astfel, interfața va fi înconjurată de două regiuni de încărcare spațială de semn opus.

Câmpul electric rezultat din formarea regiunilor de încărcare spațială provoacă un curent de deriva în direcția opusă curentului de difuzie. În final, se stabilește echilibrul dinamic între curenții de difuzie și de deriva și fluxul de sarcini se oprește.

În acest caz, o așa-numită blocare ( barieră) un strat de câțiva micrometri, lipsit de purtători de sarcină, cu tensiune E s câmp electric, care împiedică difuzia purtătorilor de sarcină (Fig. 10, A).

Figura 10 - Strat barieră: a) în absenţa tensiunii; b) la aplicarea tensiunii inverse; c) când se aplică tensiune continuă

Dacă să p-n- atașați tranziția tensiune inversă(Fig. 10, b), apoi tensiunea pe care o creează E s câmpul electric crește bariera de potențial și împiedică trecerea electronilor din n-regiuni în p-zona si gauri din p-regiuni în n-regiune. În acest caz, fluxul de purtători minoritari (găuri de la n-regiune si electroni din p-regiuni), lor extracţie, formează un curent invers am arr..

Dacă porniți o sursă de alimentare externă E, așa cum se arată în fig. 10, V, atunci intensitatea câmpului electric creat de acesta va fi opusă direcției intensității E sîncărcătură spațială, iar în regiunea interfeței semiconductoare va exista fi injectat un număr tot mai mare de găuri (care nu sunt esențiale pentru n-regiuni de purtători de sarcină), care formează un curent continuu eu pr. La o tensiune de 0,3-0,5 V, stratul de blocare va dispărea, iar curentul eu pr determinată numai de rezistenţa semiconductorului.

Contrainjecția de electroni în p-regiunea poate fi neglijată, deoarece numărul de găuri din exemplul luat în considerare și, prin urmare, principalii purtători de sarcină, este mai mare în p-regiune decât electronii liberi în n-regiuni, i.e.

N a >>N d,

Unde N / AȘi N d— concentrații de acceptori și donatori în p- Și n-regiuni.

Se numește regiunea cristalului care are o concentrație mai mare de impurități emițător, iar al doilea, cu o concentrație mai mică, - baza.