§43. Примесный полупроводник - составная часть элементов схем

Определения и обозначения

Примесный полупроводник — полупроводник, в который введены атомы примеси, изменяющие концентрацию свободных носителей заряда. Ими могут быть электроны или дырки. Такое изменение позволяет управлять проводимостью материала, не меняя его основной кристаллической структуры.

Донорная примесь — примесь, атомы которой отдают электроны в зону проводимости; основной носитель заряда в таком полупроводнике — электрон. Обозначение n-типа связано со словом «negative» и указывает на знак заряда основного носителя. Оно не означает, что весь кристалл заряжен отрицательно.

Акцепторная примесь — примесь, атомы которой захватывают электроны и создают дырки; основной носитель заряда в таком полупроводнике — дырка. Дырка представляет собой незаполненное место в электронной связи, которое ведёт себя как подвижный положительный носитель. Материал с преобладанием дырочной проводимости называют полупроводником p-типа.

Электронно-дырочный переход (p–n-переход) — граница соприкосновения областей с электронной и дырочной проводимостью. На ней возникает обеднённый слой и внутреннее электрическое поле. Эти особенности определяют, насколько легко ток проходит через границу при разных направлениях внешнего напряжения.

Как это устроено

В кристалле кремния или германия каждый атом образует связи с соседними атомами валентными электронами. Если один атом заменить примесным, его электронная конфигурация нарушит привычный баланс связей. Одни примеси дают электрон, который слабо удерживается и может перейти в зону проводимости; другие захватывают электрон из связи. Поэтому добавление даже небольшого количества примеси заметно меняет число подвижных носителей.

У атома кремния четыре валентных электрона, и все они участвуют в связях кристалла. У атома пятой группы, например фосфора, есть пятый электрон: четыре электрона образуют связи, а пятый сравнительно легко становится свободным. Энергетическое состояние, связанное с таким электроном, называют донорным уровнем. У атома третьей группы, например бора, для одной из связей не хватает электрона: он захватывает электрон у соседа, а освободившееся место может передаваться по кристаллу как дырка; так проявляется акцепторный уровень.

Когда области n- и p-типа соприкасаются, электроны из n-области начинают диффундировать в p-область, а дырки движутся в противоположную сторону. Вблизи границы носители рекомбинируют, то есть электрон заполняет дырку. Подвижных носителей там становится мало, зато остаются неподвижные ионы доноров и акцепторов; этот участок называют обеднённым слоем. Разделение зарядов создаёт внутреннее электрическое поле, которое противодействует дальнейшей диффузии и образует потенциальный барьер.

Внешний источник напряжения может действовать на переход по-разному. При прямом включении p-область соединяют с положительным полюсом, а n-область — с отрицательным: поле источника ослабляет внутреннее поле, барьер снижается, а обеднённый слой становится уже. Основные носители получают возможность массово пересекать границу, поэтому ток возрастает. При обратном включении поле усиливается, слой расширяется, и движение основных носителей через переход затрудняется.

Полупроводниковый диод — элемент с одним p–n-переходом и двумя выводами. Его используют, чтобы пропускать ток преимущественно в одном направлении, например при выпрямлении переменного тока. В транзисторе несколько областей с разным типом проводимости образуют два перехода; управление током в одной части устройства позволяет управлять током в другой. Таким образом, свойства примесных областей и переходов дают возможность не только выпрямлять, но и усиливать или переключать электрические сигналы.

Сравнение полупроводников n- и p-типа

В таблице сравниваются примесь, носители, которые она добавляет, и заряженные частицы, уже присутствующие в кристалле. Основные носители преобладают по числу, а неосновные встречаются в меньшей концентрации. При чтении важно отделять тип проводимости от суммарного заряда образца.

Разбор задач

Задача 1. Кремний легировали атомами фосфора. Определите тип проводимости и основные носители заряда. Сначала сравним валентность атомов: у кремния четыре валентных электрона, у фосфора — пять. Это позволяет понять, что происходит с электроном, не участвующим в образовании четырёх связей.

1. Четыре электрона фосфора участвуют в связях с соседними атомами кремния.
2. Пятый электрон удерживается слабее и может перейти в зону проводимости.
3. Фосфор — примесь пятой группы, поэтому он является донором; преобладающими подвижными носителями становятся электроны.

Ответ: проводимость n-типа, основные носители — электроны.

Задача 2. В кремниевом кристалле часть атомов заменили атомами бора. Объясните, какие носители заряда появляются и почему кристалл остаётся электрически нейтральным. У бора на один валентный электрон меньше, чем у кремния, поэтому в одной из связей возникает недостаток электрона. Нужно проследить и за подвижным носителем, и за зарядом неподвижной примеси.

1. Бор захватывает электрон, необходимый для заполнения незавершённой связи.
2. На месте ушедшего электрона остаётся дырка; при переходе соседних электронов она может перемещаться по кристаллу.
3. Захват электрона ионизирует атом примеси, но заряд иона компенсируется зарядом носителей и остальной решётки.

Ответ: появляются дырки, а суммарный заряд кристалла остаётся равным нулю.

Задача 3. Диод подключили так, что p-область соединена с положительным полюсом источника, а n-область — с отрицательным. Объясните, как изменится переход и почему ток возрастёт. Такое соединение называют прямым включением. Рассмотрим, как электрическое поле источника действует на внутренний барьер.

1. Положительный полюс отталкивает дырки от p-вывода к переходу, а отрицательный полюс отталкивает электроны от n-вывода к границе.
2. Внешнее поле направлено так, что ослабляет внутреннее поле перехода, поэтому потенциальный барьер уменьшается.
3. Обеднённый слой сужается, и основные носители легче пересекают границу, увеличивая ток.

Ответ: при прямом включении слой сужается, барьер снижается, ток возрастает.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что n-тип означает отрицательный заряд всего кристалла. Так рассуждают, потому что электроны — основные носители, но их отрицательный заряд компенсирован положительными ионами донорной примеси. Проверка: сравните заряды всех частиц в образце, а не только подвижных электронов; суммарный заряд будет нулевым.

Ошибка: представлять дырку как свободную положительно заряженную частицу. Её называют положительным носителем, поэтому легко забыть, что речь идёт о незаполненном месте в связи. Проверка: проследите за электронами соседних связей — их перемещение создаёт впечатление движения дырки в обратном направлении.

Ошибка: считать носители, появившиеся благодаря примеси, единственными. Примесь определяет преобладающий вид, но тепловое движение продолжает создавать пары электрон—дырка. Проверка: различайте основные и неосновные носители; например, в n-типе есть не только электроны, но и дырки.

Ошибка: полагать, что диод одинаково проводит при любой полярности. Это возникает, если учитывать только наличие свободных носителей и не учитывать переход. Проверка: определите, усиливает или ослабляет внешнее поле внутренний барьер: при обратном включении обеднённый слой расширяется, а ток резко уменьшается.

Связь с другими темами

Для понимания примесных полупроводников нужны знания о строении атома, валентных электронах и кристаллической решётке. Связи между атомами объясняют, почему лишний электрон может стать свободным, а недостаток электрона проявляется как дырка. Представление об электрическом токе помогает описать направленное движение этих носителей.

Примесные области и p–n-переход необходимы для изучения полупроводникового диода и выпрямления переменного тока: диод пропускает ток преимущественно в одном направлении. Несколько переходов входят в устройство транзистора, где управляют током и сигналами. Поэтому понимание типа проводимости и поведения границы помогает перейти от свойств материала к работе элементов электрических схем.

Что запомнить

• Примесь изменяет концентрацию носителей заряда в полупроводнике.
• Донорная примесь создаёт полупроводник n-типа, где основные носители — электроны.
• Акцепторная примесь создаёт полупроводник p-типа, где основные носители — дырки.
• Полупроводник сохраняет электрическую нейтральность в целом.
• На границе областей n- и p-типа возникает обеднённый слой и внутреннее поле.
• p–n-переход проводит ток по-разному при прямом и обратном включении.