Półprzewodniki są to materiały krystaliczne, które pod względem rezystywności zajmują pośrednie miejsce między przewodnikami metalicznymi a dielektrykami (izolatorami). W substancjach krystalicznych atomy lub cząsteczki układają się w postaci regularnej siatki krystalicznej. Rezystywność półprzewodników jest orientacyjnie setki tysięcy, a nawet miliony razy większa niż rezystywność metali, ale miliardy razy mniej s/a niż rezystywność przeciętnych niedoskonałych dielektryków. W odróż­nieniu od metali mają one najczęściej ujemny współczynnik temperaturowy rezystancji. W półprzewodniku płynie prąd elektryczny, polegający na uporządkowanym przemieszczaniu się elektronów i dziur, tj. ładunków ujemnych i dodatnich. Przewodnictwo półprzewodników polegające na przemieszczaniu generowanych w nim elektronów i dziur nazywa się przewodnictwem elektrycznym samoistnym.

W praktyce oprócz omówionych pół­przewodników samoistnych są stoso­wane tzw. półprzewodniki niesamoistne. Półprzewodniki niesamoistne, pro­dukowane najczęściej na bazie germanu i krzemu, powstają w wyniku wprowa­dzenia do ich sieci krystalicznej ato­mów pierwiastków 3- lub 5-wrtościowych. Wprowadzenie tych domieszek zwiększa przewodnictwo albo elektro­nowe, albo dziuro we. Jest to wywołane tym, że wiązanie w sieci krystalicznej atomów krzemu lub germanu, wymaga 4 elektronów walencyjnych, a atom pierwiastka z V grupy ma 5 elektronów walencyjnych. Elektron nie biorący udziału w wiązaniu, po otrzymaniu sto­sunkowo niewielkiej energii przechodzi do pasma przewodnictwa.

rys.1 Uproszczony model pasmowy półprze­wodnika niesamoistnego typu N

W wyniku wprowadzenia do czystego chemicznie germanu lub krzemu do­mieszki pierwiastków 5-wartościowych, np. arsenu lub antymonu, uzyskuje się więcej elektronów w paśmie przewodni­ctwa niż dziur w paśmie walencyjnym (rys. 1). Otrzymany w ten sposób półprzewodnik nosi nazwę półprze­wodnika typu A. W półprzewodniku takim elektrony są głównym nośnikiem ładunku elektrycz­nego, decydującym o elektronowym charakterze przewodnictwa elektrycz­nego. Domieszka stosowana w półprze­wodnikach typu N jest nazywana domieszką donorową.

W wyniku wprowadzenia do czystego chemicznie germanu lub krzemu do­mieszki pierwiastków 3-wartościowych, np. boru, indu lub glinu, uzyskuje się w paśmie walencyjnym nadmiar dziur (rys. 2). Otrzymany w ten sposób półprzewodnik nosi nazwę półprze­wodnika typu P.

Rys. 2 Uproszczony model pasmowy półprze­wodnika niesamoistnego typu P

W pół­przewodniku takim dziury są głównym nośnikiem ładunku elektrycznego, de­cydującym o dziurowym charakterze przewodnictwa elektrycznego. Domie­szka stosowana w półprzewodniku ty­pu P jest nazywana domieszką akceptorową.

W każdym półprzewodniku istnieją dodatnie i ujemne nośniki generowane i przeważające liczebnie nośniki domieszkowe. Stąd wprowadzono nazwy nośników mniejszościowych i nośników większościowych. W mechanizmie przewodzenia prądu elektrycznego dominującą rolę odgrywają nośniki większościowe. W półprzewodnikach typu N nośnikami większościowymi są elektrony donorowe łącznie z generowanymi, a noś­nikami mniejszościowymi są dziury. W półprzewodnikach typu P noś­nikami większościowymi są dziury, a mniejszościowymi elektrony.

Przewodnictwo germanu i krzemu uwarunkowane obecnością domieszek nazywamy przewodnictwem domieszkowym w odróżnieniu od przewod­nictwa samoistnego.

Ciekawe właściwości wykazuje na przykład dwóch połączonych ze sobą (np. przez zetknięcie) półprzewodników: jednego typu P, drugiego typu N. Przy bezpośrednim zetknięciu takich dwóch półprzewodników byłyby nieuniknione szczeliny, złącze wykonuje się więc z płytki krzemu. Do płytki wprowadza się z jednej strony domieszki akceptorowe, a z drugiej donorowe. Otrzymuje się wtedy ciągłe przejście od półprzewodnika typu P do półprzewodnika typu N. Strefę oddzielającą dwa półprzewodniki, jednego typu P i drugiego typu N, nazywa się złączem PN. NA rysunku 3 pokazano w sposób poglądowy fragment przekroju złącza PN.;

Rys. 3. Złącze PN: a) rozkład jonów i nośników ładunków

1 — jon donorowy, 2 — jon akceptorowy 3 — elektron,

4 — dziura

W przekroju zaznaczono po stronie półprzewodnika typu P dodatnie większościowe nośniki ładunku elekt­rycznego w postaci dziur 4 domieszki akceptorowej, a po stronią półprzewodnika typu N — ujemne większościowe nośniki w postaci elektronów 3 z domieszki donorowej.

W złączu zachodzi dyfuzja, tj. przenikanie elektronów z obszaru N do P, Elektrony te, zapełniając dziury, tworzą z nimi cienką warstwę ujemnych jonów 2 domieszki akceptorowej o wypełnionych wiązaniach kowalencyj­nych. Po stronie półprzewodnika N pozostają dodatnie jony 1 domieszki donorowej również o wypełnionych wiązaniach kowalencyjnych. W dyfuzji biorą też udział dziury w kierunku od P do N. Jony 7 i 2 są osadzone w siatce krystalicznej półprzewodnika i nie mając swobody w przemieszczaniu się, tworzą w złączu podwójną warstwę ładunków dodatnich po stronie półprzewodnika N, ujemnych po stronie półprzewodnika P, Warstwa podwójna nazywa się obszarem ładunku przestrzennego, warstwą zaporową lub obszarem zubożonym. Grubość Warstwy podwójnej nie przekracza jednego mikrometra.

Złącze PN stanowi podstawę diod półprzewodnikowych. Rozpatrzmy właściwości złącza poddanego działaniu napięcia. Na rysunku 4a pokazano złącze PN, którego półprzewodnik typu dodatnim, a półprzewodnik typu P z ujemnym pięcia. Dodatkowe pole elektryczne wytworzone przez źródło napięcia jest skierowane zgodnie z polem ładunków przestrzennych- bariera potencjału zostaje przez to zwiększona (rys. 4b), co jeszcze bardziej utrudnia dyfuzję. Zjawisko to można wytłumaczyć w ten sposób, że biegun dodatni źródła odciąga elektrony obszaru N od złącza, a biegun ujemny odciąga dziury obszaru P od złącza, wobec czego w strefie złącza jest bardzo mało nośników ładunku elektrycznego, pozostają tylko jony nie przenoszące ładunku. Szerokość warstwy jonów ulega. jak pokazano obrazowo na rys. 4a

Mówimy, że przy takim połączeniu złącze działa zaporowo. W kierunku zaporowym może płynąć minimalny prąd, zwany prądem wstecznym.

---