Электронно-дырочный переход. Наиболее важные применения полупроводников (а именно: выпрямление и усиление тока) связаны с особы­ми свойствами тонкого слоя

Наиболее важные применения полупроводников (а именно: выпрямление и усиление тока) связаны с особы­ми свойствами тонкого слоя, возникающего на границе ме­жду двумя областями монокристалла: областью с электрон­ной и областью с дырочной проводимостью.

Рис. 19.6

Для получения такого слоя в одну половину монокристалла вводят атомы-доноры, а в другую – акцепторы. Будем для простоты счи­тать, что сначала между этими областями была некоторая воображаемая перегородка, и в какой-то момент она исчез­ла. Через границу, разделяющую эти две области, нач­нется диффузия основных носителей (рис. 19.7):

а) электроны n-области, двигаясь беспорядочно по всем направлениям, будут иногда пересекать границу;

б) дырки р-области заполняются электронами, перескакивающими от разных атомов, в том числе и от «зарубежных». Это означает, что дырки движутся беспорядочно по всем направлениям, и часть их будет пересекать границу.

Если бы частицы были нейтральными, то начавшаяся диффузия привела бы в конце концов к выравниванию кон­центрации частиц по всему объему кристалла. Но здесь этого не будет, так как оба пограничных участка в результате диффузии зарядятся, и возникшее электрическое поле, как мы сейчас увидим, будет препятствовать дальнейшему пере­мешиванию основных носителей. В самом деле, погранич­ный участок n-области в результате ухода за рубеж части электронов (и из-за прихода дырок) зарядится положитель­но. Пограничный участок р-слоя в результате ухода дырок (и прихода электронов) зарядится отрицательно (см. рис. 19.7). При этом пограничные слои окажутся обедненными основ­ными носителями: часть их ушла «за рубеж», а часть рекомбинировала с «пришельцами».

Рис. 19.8 Рис. 19.9

Заряды пограничного слоя будут создавать поле, подоб­ное полю плоского конденсатора (рис. 19.8)Плоский кон­денсатор снаружи поля не создает, оно будет существовать в тонком (тоньше 1 мкм) переходном слое. Ход кривой по­тенциала вдоль кристалла показан на рис. 19.9(возникшая разность потенциалов составляет для кремния 0,7–0,8 В, для германия 0,3–0,4 В).

Любой конденсатор обладает свойствами выпрямителя: если между обкладками конденсатора имеются заряженные частицы, то поле конденсатора способствует току от плюсо­вой обкладки к минусовой и препятствует току в обратном направлении. В данном случае поле переходного слоя пре­пятствует диффузии основных носителей и способствует дрейфу неосновных носителей. Например, если из п-области в переходный слой проникнет электрон (основной носитель), то, как видно из рис. 19.8и 19.9, электрическое поле будет отбрасывать его назад; если же туда проникнет из той же области дырка, то она благополучно продрейфует в р-область. Такая же судьба ожидает основные и неоснов­ные носители п-области, если они забредут в переход­ный слой.

Электрическое поле, возникшее в пограничном слое в результате диффузии основных носителей, будет возрастать до тех пор, пока диффузия не прекратится. Но возникшее равновесие не будет статическим. Оно, как и равновесие между паром и жидкостью в закрытом сосуде, обеспечива­ется встречными потоками частиц (основных и неоснов­ных).

Неосновные носители, попавшие в переходный слой, будут подхватываться полем и переправляться «за рубеж». В результате через переходный слой возникнет ток дырок из п-области в р-область и ток электронов из р-области в п-область. Эти два тока мы будем считать за один, так как в обоих случаях направление электрического тока будет одинаковым (этот ток называют дрейфовым).

Среди основных носителей найдутся такие, которые сумеют преодолеть «потенциальный барьер» между областями и наперекор полю перескочить в другую область (такой ток, созданный избыточной концентрацией частиц, называют диффузионным).

Эти токи (неосновных и основных носителей) про­тивоположны по направлению и при постоянной темпера­туре автоматически уравновешиваются, как уравновешива­ются встречные потоки молекул на границе между жидко­стью и паром в закрытом сосуде.