Струм в напівпровідниках

Поява дірки замість електрона зв’язку не залишається непоміченим для інших атомів. У цю дірку може легко заскочити електрон зв’язку від сусіднього атома, так як для цього потрібно набагато менше енергії, ніж для звільнення електрона. Тоді дірка залишиться в сусідньому атомі. У неї може застрибнути електрон з наступного атома, при цьому дірка утворюється в наступному атомі. Створюється ілюзія, що в поле негативних енергій, нижче забороненої зони, переміщуються дірки. Переміщення пов’язаних електронів від вузла до вузла кристалічної решітки через дірки в зв’язках називають дірковим струмом. За певних умов дірковий струм навіть може мати перевагу. Таким чином, в напівпровідниках існує як електронна, так і діркова провідність.
Концентрація вільних електронів в кристалі кремнію в мільярд разів менше, ніж у міді. Це дуже мало. Щоб підвищити провідність напівпровідника, в нього додають домішки. Якщо треба підвищити електронну провідність, додають трохи пятивалентного миш’яку, якщо хочуть підвищити дірковий – додають тривалентний індій. У першому випадку п’ятий валентний електрон миш’яку, не знайшовши собі ковалентну пару у найближчого атома кремнію, виявляється зайвим і майже відразу відривається від решітки. Навіть сота частка відсотка домішки миш’яку може збільшити електронну провідність кристала кремнію в десятки тисяч разів. При додаванні індію його три валентних електрони вступають в ковалентний зв’язок тільки з трьома зовнішніми електронами атома кремнію. Четвертий електрон кремнію залишається без пари, що означає появу зайвої дірки. Таким чином, залежно від виду домішки виходить напівпровідник з надлишком електронів (n – типу) або з надлишком дірок (p-типу). Взагалі кажучи, технологія напівпровідників отримала в наші дні такий розвиток, що її опис може зайняти не одну полицю книг. Тим не менш, розповімо про головне досягнення техніки напівпровідників, про pn переході.
Як кажуть електронщики, один pn перехід – це діод, два – транзистор. Іноді можна почути, що pn перехід можна отримати, якщо створити контакт між напівпровідниками з різними типами провідності. Це не зовсім так. До появи нанотехнологій pn перехід виготовляли на чистому кристалі у вигляді тонкої пластинки (чіпа). До однієї сторони чіпа припаювали кулька індію, до іншої – прикріплювали крупинку миш’яку. Потім чіп нагрівали в духовці. При високій температурі атоми домішок проникали всередину кристала з двох сторін. Після розрахункового часу чіп витягували. З боку миш’яку виходив напівпровідник n-типу (електронна провідність), з боку індію – p-типу (діркова провідність). У середині залишався дуже тонкий прикордонний шар, який мав власну провідність. В цілому все це називалося pn перехід, найважливішим властивістю якого є одностороння провідність електричного струму. Для підведення зовнішнього поля до області n-типу припаювали катод, до області p-типу – анод. Вийшов електронний прилад, який назвали напівпровідниковим діодом.
Якщо анод діода з’єднати з позитивним полюсом джерела поля, а катод – з негативним, електрони в n-області почнуть відштовхуватися від негативного полюса і кинуться назустріч позитивного полюса. Вони легко подолають вузький np перехід і потраплять в p-область, де мало електронів, зате багато дірок, що забезпечують електронам високу рухливість. Таким чином, для прямого напрямку поля діод має невеликий опір (порядку кілька Ом), і прямий струм виходить більшим. Але якщо до діода прикласти зворотне зовнішнє поле, картина змінюється. Електрони з n-області отхлинут до позитивного полюса джерела поля, а дірки з p-області відійдуть до негативного полюса. Ширина прикордонного шару, з якого пішли навіть власні електрони, різко збільшиться. Опір діода різко підніметься (до сотень кОм) і зворотний струм впаде практично до нуля. Таким чином, pn перехід має однобічну провідність. Ця властивість дозволяє використовувати його в техніці, коли, наприклад, потрібно випрямити змінний струм (про змінний струм трохи пізніше).

Посилання на основну публікацію