2

148 Ćwiczenia laboratoryjne z fizyki

Domieszka

przejść w półprzewodniku pojawia się niesamoistna (nadmiarowa) przewodność elektronowa zwana przewodnością typu n. Półprzewodnik po domieszkowaniu donorami staje się półprzewodnikiem typu n.

Tabela 19.1. Domieszki w germanie i krzemie

Donor lub akceptor	A Ej lub AE„ \|cV\|
Donor lub akceptor	German (Ge)	Krzem (SI)
A	0,0104	0.045
A	0,0102	0,057
A	0,0108	0,065
A	0.0112	0,160
D	0,0120	0,044
D^v	0.0127	0.049
iDS	0,0096	0,039
b		0,069

Rys. 19.1. Modele pasmowe półprzewodników domieszkowanych: a) typu n, b) typu p;

pp - pasmo przewodnictwa, pv - pasmo walencyjne,

AEj (AE_t) - odległość energetyczna poziomu donorowego (akceptorowego) od pp (pv)

Załóżmy, że do siatki germanu zostaje wprowadzony atom domieszki z trzema elektronami walencyjnymi (bor, aluminium, ind). Elektrony te utworzą wiązania z trzema sąsiednimi atomami sieci pierwotnej germanu. Czwarte, potrzebne sieci wiązanie, pozostanie niewysycone. Utworzy się zlokalizowana (związana z atomem domieszki) dziura. Może ona być łatwo (nakładem małej energii) wypełniona przez elektron biorący udział w którymś z sąsiednich wiązań german - german. Po takim przyjęciu elektronu przez dziurę powstaje dziura w innym miejscu sieci. Jest to dziura o znacznej ruchliwości.

Takie nieobsadzone (elektronami) stany nazywamy stanami akceptorowymi (od angielskiego słowa accept - przyjmować), a związane z nimi poziomy energetyczne - poziomami akceptorowymi. Znajdują się one tuż ponad górną granicą pasma walencyjnego (rys. 19. Ib), np. bor w germanie tworzy poziom w odległości energe-

tycznej AE_a = 0,0104 eV. Wystarczy niewielkie wzbudzenie, aby elektron z pasma walencyjnego zostat wyłapany przez akceptor, przeskoczył na poziom akceptorowy (przejście (2) na rys. 19. Ib). Wówczas w paśmie walencyjnym powstaje swobodna dziura i w półprzewodniku pojawia się niesamoistna (nadmiarowa) przewodność dziurawa zwana przewodnością typu p. Półprzewodnik po domieszkowaniu go akceptorami staje się półprzewodnikiem typu p.

Oba typy przewodnictwa różnią się jedynie rodzajem nośnikówprądu. W tabeli 19.1 są podane przykłady najczęściej stosowanych domieszek w monokryształach germanu i krzemu oraz wartości energetycznego położenia poziomów domieszkowych. W przypadku jednoczesnego wprowadzenia do półprzewodnika akceptorów i donorów, następuje kompensacja wpływu domieszek. Półprzewodnik wykazuje wówczas typ domieszki, której koncentracja jest większa.

Złącze p-n, czyli dioda półprzewodnikowa

Dioda półprzewodnikowa powstaje przez zetknięcie dwóch półprzewodników o różnych rodzajach przewodności domieszkowej. Granica zetknięcia półprzewodnika typu p z półprzewodnikiem typu n nosi nazwę złącza p-n. Można je uzyskać w jednym krysztale, przez wytworzenie w nim dzięki odpowiednim domieszkom równocześnie obszarów o przewodności typu p i n. Złącza takie wytwarza się zwykle w czasie wzrostu (hodowania) kryształu lub metodami dyfuzji domieszek w podwyższonej temperaturze (np. do półprzewodnika zawierającego początkowo w całej objętości donory wprowadza się do części próbki domieszki akceptorowe o koncentracji znacznie przekraczającej koncentrację donorów). Złącze p-n znajduje się na ogół w obudowie metalowej chroniącej go przed uszkodzeniami mechanicznymi i wpływami atmosferycznymi.

W obszarze złącza p-n elektrony przechodzą z półprzewodnika typu n do półprzewodnika typu p, natomiast dziury w kierunku przeciwnym. Zjawisko to nazywamy dyfuzją nośników ładunku, a jego przyczyną jest różnica koncentracji nośników po obu stronach złącza. W ten sposób powstaje warstwa podwójna ładunku o grubości L mniejszej niż 1 pm (rys. 19.2).

N	■AJ- ’_
© 0©	+ + + +	I" 1 © © ©
©©© .	+ •* + +	>_[ © © ©
© © ©	+ + + +	5*1 © © ©
© © ©	+ + ⁺ +	I-i © © ©

^Ry»- 19.2. Rozkład ładunku i nośników w niespolaryzowanej diodzie półprzewodnikowi) n-p O® - swobodne nośniki ładunku