Co to jest półprzewodnik i z czym się go spożywa?
Półprzewodnik- materiał, bez którego współczesny świat technologii i elektroniki jest nie do pomyślenia. Półprzewodniki wykazują właściwości metali i niemetali w określonych warunkach. Pod względem rezystywności elektrycznej półprzewodniki zajmują pozycję pośrednią między dobrymi przewodnikami a dielektrykami. Półprzewodnik różni się od przewodników silną zależnością przewodności właściwej od obecności pierwiastków zanieczyszczających (pierwiastków zanieczyszczających) w sieci krystalicznej i stężenia tych pierwiastków, a także od temperatury i narażenia na różne rodzaje promieniowania.
Podstawowe właściwości półprzewodnika- wzrost przewodności elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury.
Półprzewodniki to substancje, których przerwa wzbroniona jest rzędu kilku elektronowoltów (eV). Na przykład diament można sklasyfikować jako półprzewodnik o szerokiej przerwie, a arsenek indu można sklasyfikować jako półprzewodnik o wąskiej przerwie. Pasmo wzbronione to szerokość przerwy energetycznej pomiędzy dołem pasma przewodnictwa a górą pasma walencyjnego, w której nie ma dozwolonych stanów dla elektronu.
Wielkość pasma wzbronionego jest istotna przy generowaniu światła w diodach LED i laserach półprzewodnikowych oraz określa energię emitowanych fotonów.
Do półprzewodników zalicza się wiele pierwiastków chemicznych: Si krzem, Ge german, As arsen, Se selen, Te tellur i inne, a także wszelkiego rodzaju stopy i związki chemiczne, np.: jodek krzemu, arsenek galu, tellur rtęci itp.). Ogólnie rzecz biorąc, prawie wszystkie substancje nieorganiczne w otaczającym nas świecie są półprzewodnikami. Najpopularniejszym półprzewodnikiem w przyrodzie jest krzem, który według przybliżonych szacunków stanowi prawie 30% skorupy ziemskiej.
W zależności od tego, czy atom elementu domieszkowego oddaje elektron, czy go wychwytuje, atomy domieszki nazywane są atomami donorowymi lub akceptorowymi. Właściwości donora i akceptora atomu pierwiastka domieszkującego zależą również od tego, który atom sieci krystalicznej zastępuje i w jakiej płaszczyźnie krystalograficznej jest osadzony.
Jak wspomniano powyżej, właściwości przewodzące półprzewodników silnie zależą od temperatury, a gdy temperatura osiągnie zero absolutne (-273 ° C), półprzewodniki mają właściwości dielektryków.
W zależności od rodzaju przewodności półprzewodniki dzielą się na typu n i typu p
półprzewodnik typu n
W zależności od rodzaju przewodności półprzewodniki dzielą się na typu n i typu p.
Półprzewodnik typu n ma naturę domieszkową i przewodzi prąd elektryczny podobnie jak metale. Elementy zanieczyszczające dodawane do półprzewodników w celu wytworzenia półprzewodników typu n nazywane są elementami donorowymi. Termin „typ n” pochodzi od słowa „ujemny”, które odnosi się do ładunku ujemnego przenoszonego przez wolny elektron.
Teorię procesu przeniesienia ładunku opisano następująco:
Do czterowartościowego krzemu Si dodaje się pierwiastek zanieczyszczający, pięciowartościowy arsen. Podczas interakcji każdy atom arsenu wchodzi w wiązanie kowalencyjne z atomami krzemu. Pozostaje jednak piąty wolny atom arsenu, dla którego nie ma miejsca w nasyconych wiązaniach walencyjnych i przemieszcza się na odległą orbitę elektronową, gdzie potrzeba mniej energii, aby usunąć elektron z atomu. Elektron odrywa się i staje się wolny, zdolny do przenoszenia ładunku. Zatem przenoszenie ładunku odbywa się za pomocą elektronu, a nie dziury, to znaczy ten typ półprzewodnika przewodzi prąd elektryczny jak metale.
Antymon Sb poprawia także właściwości jednego z najważniejszych półprzewodników – germanu Ge.
półprzewodnik typu p
Półprzewodnik typu p, oprócz zasady domieszkowej, charakteryzuje się dziurowym charakterem przewodnictwa. Zanieczyszczenia dodawane w tym przypadku nazywane są zanieczyszczeniami akceptorowymi.
„typ p” pochodzi od słowa „pozytywny”, które odnosi się do ładunku dodatniego większości nośników.
Na przykład niewielką ilość trójwartościowych atomów indu dodaje się do półprzewodnika, czterowartościowego krzemu Si. W naszym przypadku ind będzie pierwiastkiem domieszkującym, którego atomy tworzą wiązanie kowalencyjne z trzema sąsiadującymi atomami krzemu. Ale krzem ma jedno wolne wiązanie, podczas gdy atom indu nie ma elektronu walencyjnego, więc wychwytuje elektron walencyjny z wiązania kowalencyjnego między sąsiadującymi atomami krzemu i staje się ujemnie naładowanym jonem, tworząc tak zwaną dziurę i odpowiednio przejście dziurowe.
Według tego samego schematu ind nadaje przewodność dziurową germanowi Ge.
Badanie właściwości elementów i materiałów półprzewodnikowych, badanie właściwości styku przewodnika z półprzewodnikiem, eksperymentowanie w wytwarzaniu materiałów półprzewodnikowych, O.V. Losev stworzył prototyp nowoczesnej diody LED w latach dwudziestych XX wieku.
W tym artykule nie ma nic szczególnie ważnego i interesującego, jest tylko odpowiedź na proste pytanie dla „manekinów”: jakie są główne właściwości, które odróżniają półprzewodniki od metali i dielektryków?
Półprzewodniki to materiały (kryształy, materiały polikrystaliczne i amorficzne, pierwiastki lub związki) posiadające pasmo wzbronione (pomiędzy pasmem przewodnictwa a pasmem walencyjnym).
Półprzewodniki elektroniczne to kryształy i substancje amorficzne, które pod względem przewodności elektrycznej zajmują pozycję pośrednią pomiędzy metalami (σ = 10 4 ÷10 6 Ohm -1 cm -1) a dielektrykami (σ = 10 -10 ÷10 -20 Ohm - 1 cm -1). Jednak podane wartości graniczne przewodności są bardzo arbitralne.
Teoria pasmowa pozwala na sformułowanie kryterium, które pozwala podzielić ciała stałe na dwie klasy – metale i półprzewodniki (izolatory). Metale charakteryzują się obecnością w paśmie walencyjnym wolnych poziomów, do których mogą przemieszczać się elektrony, otrzymując dodatkową energię na przykład w wyniku przyspieszenia w polu elektrycznym. Cechą charakterystyczną metali jest to, że w stanie podstawowym, niewzbudnym (w temperaturze 0 K) posiadają elektrony przewodzące, tj. elektrony uczestniczące w uporządkowanym ruchu pod wpływem zewnętrznego pola elektrycznego.
W półprzewodnikach i izolatorach w temperaturze 0 K pasmo walencyjne jest całkowicie zapełnione, a pasmo przewodnictwa jest od niego oddzielone pasmem wzbronionym i nie zawiera nośników. Dlatego niezbyt silne pole elektryczne nie jest w stanie wzmocnić elektronów znajdujących się w paśmie walencyjnym i przenieść ich do pasma przewodnictwa. Innymi słowy, takie kryształy w temperaturze 0 K powinny być idealnymi izolatorami. Kiedy temperatura wzrasta lub taki kryształ zostaje napromieniowany, elektrony mogą zaabsorbować kwanty energii cieplnej lub promieniowania wystarczające do przejścia do pasma przewodnictwa. Podczas tego przejścia w paśmie walencyjnym pojawiają się dziury, które mogą również brać udział w przenoszeniu prądu. Prawdopodobieństwo przejścia elektronu z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa jest proporcjonalne do ( -MIG/ kT), Gdzie miG - szerokość strefy zabronionej. Z dużą wartością miG (2-3 eV) prawdopodobieństwo to okazuje się bardzo małe.
Zatem podział substancji na metale i niemetale ma bardzo określoną podstawę. Natomiast podział niemetali na półprzewodniki i dielektryki nie ma takiej podstawy i jest czysto warunkowy.
Wcześniej uważano, że substancje posiadające pasmo wzbronione można sklasyfikować jako dielektryki miG≈ 2÷3 eV, ale później okazało się, że wiele z nich to typowe półprzewodniki. Ponadto wykazano, że w zależności od stężenia zanieczyszczeń lub nadmiaru (powyżej składu stechiometrycznego) atomów jednego ze składników, ten sam kryształ może być zarówno półprzewodnikiem, jak i izolatorem. Dotyczy to na przykład kryształów diamentu, tlenku cynku, azotku galu itp. Nawet tak typowe dielektryki, jak tytaniany baru i strontu, a także rutyl, po częściowej redukcji uzyskują właściwości półprzewodników, co wiąże się z pojawieniem się w nich nadmiaru atomów metalu.
Podział niemetali na półprzewodniki i dielektryki ma również pewne znaczenie, ponieważ znanych jest wiele kryształów, których przewodności elektronicznej nie można w zauważalny sposób zwiększyć ani przez wprowadzenie zanieczyszczeń, ani przez oświetlenie czy ogrzewanie. Wynika to albo z bardzo krótkiego czasu życia fotoelektronów, albo z istnienia głębokich pułapek w kryształach, albo z bardzo małej ruchliwości elektronów, tj. z wyjątkowo małą prędkością ich dryfu w polu elektrycznym.
Przewodność elektryczna jest proporcjonalna do stężenia n, ładunku e i ruchliwości nośników ładunku. Dlatego zależność temperaturowa przewodności różnych materiałów jest określona przez zależności temperaturowe wskazanych parametrów. Do wszystkich przewodów elektronicznych mi stała i niezależna od temperatury. W większości materiałów wartość ruchliwości zwykle nieznacznie maleje wraz ze wzrostem temperatury na skutek wzrostu intensywności zderzeń poruszających się elektronów z fononami, tj. w wyniku rozpraszania elektronów na skutek drgań sieci krystalicznej. Dlatego odmienne zachowanie metali, półprzewodników i dielektryków jest związane głównie ze stężeniem nośnika ładunku i jego zależnością od temperatury:
1) w metalach stężenie nośników ładunku n jest duże i zmienia się nieznacznie wraz ze zmianami temperatury. Zmienną uwzględnianą w równaniu przewodności elektrycznej jest ruchliwość. A ponieważ mobilność nieznacznie spada wraz z temperaturą, zmniejsza się również przewodność elektryczna;
2) w półprzewodnikach i dielektrykach N zwykle rośnie wykładniczo wraz z temperaturą. Ten szybki wzrost N w największym stopniu przyczynia się do zmian przewodności niż zmniejszenie mobilności. Dlatego przewodność elektryczna szybko wzrasta wraz ze wzrostem temperatury. W tym sensie dielektryki można uznać za pewien przypadek ograniczający, ponieważ w zwykłych temperaturach wartość N w tych substancjach jest niezwykle mała. W wysokich temperaturach przewodność poszczególnych dielektryków osiąga poziom półprzewodników w wyniku wzrostu N. Obserwuje się również coś odwrotnego - w niskich temperaturach niektóre półprzewodniki stają się izolatorami.
Bibliografia
- West A. Chemia ciał stałych. Część 2 z angielskiego - M.: Mir, 1988. - 336 s.
- Nowoczesna krystalografia. T.4. Właściwości fizyczne kryształów. - M.: Nauka, 1981.
Studenci grupy 501 Wydziału Chemii: Bezzubov S.I., Vorobyova N.A., Efimov A.A.
W technice elektronicznej coraz częściej stosuje się urządzenia półprzewodnikowe, które posiadają szereg właściwości, które sprawiają, że są one preferowane w porównaniu z urządzeniami próżniowymi. W ostatnich latach, charakteryzujących się postępem w elektronice półprzewodnikowej, opracowano urządzenia oparte na nowych zasadach fizycznych.
Półprzewodniki zawierają wiele pierwiastków chemicznych, takich jak krzem, german, ind, fosfor itp., większość tlenków, siarczków, selenków i tellurków, niektóre stopy i wiele minerałów. Zdaniem akademika A.F. Ioffe’a „półprzewodniki to prawie cały otaczający nas świat nieorganiczny”.
Półprzewodniki są krystaliczne, amorficzne i ciekłe. W technologii półprzewodników stosuje się zwykle wyłącznie półprzewodniki krystaliczne (monokryształy z domieszkami nie większymi niż jeden atom domieszki na 1010 atomów substancji głównej). Do półprzewodników zalicza się zazwyczaj substancje, które pod względem przewodności elektrycznej zajmują pozycję pośrednią pomiędzy metalami a dielektrykami (stąd nazwa). W temperaturze pokojowej ich przewodność właściwa wynosi od 10-8 do 105 S/m (dla metali - 106-108 S/m, dla dielektryków - 10-8-10-13 S/m). Główną cechą półprzewodników jest wzrost przewodności elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury (w przypadku metali spada). Przewodność elektryczna półprzewodników zależy w dużym stopniu od wpływów zewnętrznych: ogrzewania, napromieniowania, pól elektrycznych i magnetycznych, ciśnienia, przyspieszenia, a także zawartości nawet niewielkich ilości zanieczyszczeń. Właściwości półprzewodników są dobrze wyjaśnione za pomocą teorii pasmowej ciał stałych.
Atomy wszystkich substancji składają się z jądra i elektronów poruszających się po zamkniętej orbicie wokół jądra. Elektrony w atomie są pogrupowane w powłoki. Główne półprzewodniki stosowane do tworzenia urządzeń półprzewodnikowych - krzem i german - mają czworościenną sieć krystaliczną (ma kształt regularnej trójkątnej piramidy) (ryc. 16.1). Rzut struktury Ge na płaszczyznę pokazano na rys. 16.2. Każdy elektron walencyjny, czyli elektron znajdujący się na zewnętrznej, niewypełnionej powłoce atomu, w krysztale należy nie tylko do swojego własnego, ale także do jądra sąsiedniego atomu. Wszystkie atomy sieci krystalicznej znajdują się w tej samej odległości od siebie i są połączone wiązaniami kowalencyjnymi (wiązanie między parą elektronów walencyjnych dwóch atomów nazywa się kowalencyjnym; pokazano to na ryc. 16.2 dwiema liniami). Te połączenia są silne; Aby je przełamać, należy przyłożyć energię z zewnątrz.
Energia elektronu W jest dyskretna, czyli skwantowana, więc elektron może poruszać się tylko po orbicie odpowiadającej jego energii. Możliwe wartości energii elektronów można przedstawić na schemacie za pomocą poziomów energii (ryc. 16.3). Im dalej orbita znajduje się od jądra, tym większa jest energia elektronu i wyższy jest jego poziom energii. Poziomy energii oddzielone są strefami II, odpowiadającymi energii zabronionej dla elektronów (strefy zabronione). Ponieważ sąsiednie atomy w ciele stałym są bardzo blisko siebie, powoduje to przesunięcie i rozdzielenie poziomów energii, w wyniku czego powstają pasma energii zwane pasmami dozwolonymi (I, III, IV na rys. 16.3). Szerokość dozwolonych pasm wynosi zwykle kilka elektronowoltów. W paśmie energii liczba dozwolonych poziomów jest równa liczbie atomów w krysztale. Każda dozwolona strefa zajmuje określony obszar energetyczny i charakteryzuje się minimalnym i maksymalnym poziomem energii, które nazywane są odpowiednio dołem i sufitem strefy.
Dozwolone strefy, w których nie ma elektronów, nazywane są wolnymi (I). Strefa wolna, w której nie ma elektronów w temperaturze 0 K, ale w wyższej temperaturze mogą się w niej znajdować, nazywa się pasmem przewodnictwa.
Znajduje się powyżej pasma walencyjnego (III) - górnego z wypełnionych pasm, w którym wszystkie poziomy energetyczne są zajęte przez elektrony w temperaturze 0 K.
W teorii pasmowej podział ciał stałych na metale, półprzewodniki i izolatory opiera się na przerwie wzbronionej pomiędzy pasmami walencyjnymi i przewodnictwa oraz stopniu wypełnienia dozwolonych pasm energetycznych (rys. 16.4). Pasmo wzbronione ΔWa nazywane jest energią aktywacji wewnętrznej przewodności elektrycznej. Dla metalu ΔWa = 0 (ryc. 16.4, a); konwencjonalnie przy ΔWa ≤ 2 eV kryształ jest półprzewodnikiem (ryc. 16.4,6), przy ΔWa ≥ 2 eV jest to dielektryk (ryc. 16.4, c). Ponieważ wartość ΔWa w półprzewodnikach jest stosunkowo mała, wystarczy przekazać elektronowi energię porównywalną z energią ruchu termicznego, aby przeszedł on z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. To wyjaśnia specyfikę półprzewodników - wzrost przewodności elektrycznej wraz ze wzrostem temperatury.
Przewodnictwo elektryczne półprzewodników. Wewnętrzna przewodność elektryczna. Aby substancja miała przewodność elektryczną, musi zawierać wolne nośniki ładunku. Takimi nośnikami ładunku w metalach są elektrony. Półprzewodniki zawierają elektrony i dziury.
Rozważmy przewodnictwo elektryczne półprzewodników samoistnych (typu i), tj. substancji, które nie zawierają zanieczyszczeń i nie mają defektów strukturalnych w sieci krystalicznej (puste miejsca, przesunięcia sieci itp.). W temperaturze 0 K w takim półprzewodniku nie ma wolnych nośników ładunku. Jednak wraz ze wzrostem temperatury (lub innymi wpływami energetycznymi, takimi jak oświetlenie) niektóre wiązania kowalencyjne mogą zostać zerwane, a elektrony walencyjne, uwalniając się, mogą odsunąć się od swojego atomu (ryc. 16.5). Utrata elektronu zamienia atom w jon dodatni. W wiązaniach w miejscu, w którym znajdował się elektron, pojawia się wolna („wolna”) przestrzeń – dziura. Ładunek dziury jest dodatni i w wartości bezwzględnej jest równy ładunkowi elektronu.
Wolną przestrzeń - dziurę - może wypełnić elektron walencyjny sąsiedniego atomu, w miejsce którego tworzy się nowa dziura w wiązaniu kowalencyjnym itp. Zatem jednocześnie z ruchem elektronów walencyjnych będą się przemieszczać także dziury. Należy pamiętać, że w sieci krystalicznej atomy są „sztywne” umocowane w węzłach. Odejście elektronu od atomu prowadzi do jonizacji, a kolejny ruch dziury oznacza naprzemienną jonizację „stacjonarnych” atomów. Jeśli nie ma pola elektrycznego, elektrony przewodzące podlegają chaotycznemu ruchowi termicznemu. Jeśli półprzewodnik zostanie umieszczony w zewnętrznym polu elektrycznym, wówczas elektrony i dziury, kontynuując chaotyczny ruch termiczny, zaczną się poruszać (dryfować) pod wpływem pola, co spowoduje wytworzenie prądu elektrycznego. W tym przypadku elektrony poruszają się w kierunku przeciwnym do pola elektrycznego, a dziury, podobnie jak ładunki dodatnie, poruszają się w kierunku pola. Przewodność elektryczna półprzewodnika wynikająca z rozerwania wiązań kowalencyjnych nazywana jest wewnętrzną przewodnością elektryczną.
Przewodność elektryczną półprzewodników można również wyjaśnić za pomocą teorii pasmowej. Zgodnie z nim wszystkie poziomy energetyczne pasma walencyjnego w temperaturze 0 K są zajęte przez elektrony. Jeżeli elektronom otrzymamy z zewnątrz energię przekraczającą energię aktywacji ΔWa, wówczas część elektronów walencyjnych przesunie się do pasma przewodnictwa, gdzie staną się wolne, czyli elektrony przewodnictwa. W wyniku odejścia elektronów od pasma walencyjnego powstają w nim dziury, których liczba jest oczywiście równa liczbie elektronów, które pozostały. Dziury mogą być zajęte przez elektrony, których energia odpowiada energii poziomów pasm walencyjnych. W konsekwencji w paśmie walencyjnym ruch elektronów powoduje, że dziury poruszają się w przeciwnym kierunku. Chociaż elektrony poruszają się w paśmie walencyjnym, zwykle wygodniej jest rozważyć ruch dziur.
Proces tworzenia pary przewodzenie elektron-dziura przewodząca nazywany jest generowaniem pary nośników ładunku (1 na ryc. 16.6). Można powiedzieć, że wewnętrzne przewodnictwo elektryczne półprzewodnika to przewodnictwo elektryczne spowodowane wytwarzaniem par przewodzących elektron-dziura. Powstałe pary elektron-dziura mogą zniknąć, jeśli dziura zostanie wypełniona elektronem: elektron stanie się wolny i straci zdolność poruszania się, a nadmiar dodatniego ładunku jonu atomowego zostanie zneutralizowany. W tym przypadku zarówno dziura, jak i elektron znikają jednocześnie. Proces ponownego łączenia elektronu i dziury nazywa się rekombinacją (2 na ryc. 16.6). Rekombinację, zgodnie z teorią pasmową, można uznać za przejście elektronów z pasma przewodnictwa do wolnych miejsc w paśmie walencyjnym. Należy pamiętać, że przejściu elektronów z wyższego poziomu energetycznego na niższy towarzyszy wyzwolenie energii, która albo jest emitowana w postaci kwantów świetlnych (fotony), albo przekazywana do sieci krystalicznej w postaci drgań termicznych (fonony ). Średni czas życia pary nośników ładunku nazywany jest czasem życia nośników. Średnia odległość, jaką nośnik ładunku pokonuje w ciągu swojego życia, nazywana jest długością dyfuzji nośnika ładunku (Lр, - dla dziur, Ln - dla elektronów).
W stałej temperaturze (i przy braku innych wpływów zewnętrznych) kryształ znajduje się w stanie równowagi: liczba wygenerowanych par nośników ładunku jest równa liczbie rekombinowanych par. Liczba nośników ładunku w jednostce objętości, czyli ich stężenie, określa wartość właściwej przewodności elektrycznej. W przypadku półprzewodnika wewnętrznego stężenie elektronów ni jest równe stężeniu dziur pi (ni = pi).
Zanieczyszczenie przewodności elektrycznej. Jeśli do półprzewodnika zostanie wprowadzone zanieczyszczenie, oprócz własnej przewodności elektrycznej będzie on miał również zanieczyszczenie. Zanieczyszczenie przewodnictwa elektrycznego może być elektroniczne lub dziurawe. Jako przykład rozważmy przypadek, gdy do czystego germanu (pierwiastek czterowartościowy) wprowadza się zanieczyszczenie pierwiastka pięciowartościowego, na przykład arsen (ryc. 16.7, a). Atom arsenu jest związany w sieci krystalicznej germanu wiązaniami kowalencyjnymi. Ale w wiązaniu mogą brać udział tylko cztery elektrony walencyjne arsenu, a piąty elektron okazuje się „dodatkowy”, słabiej związany z atomem arsenu. Aby oderwać ten elektron od atomu potrzeba znacznie mniej energii, dlatego już w temperaturze pokojowej może stać się elektronem przewodzącym, nie pozostawiając dziury w wiązaniu kowalencyjnym. Zatem w miejscu sieci krystalicznej pojawia się dodatnio naładowany jon domieszkowy, a w krysztale pojawia się wolny elektron. Zanieczyszczenia, których atomy oddają wolne elektrony, nazywane są donorami.
Na ryc. Rysunek 16.7b przedstawia diagram pasm energii półprzewodnika z domieszką donora. W pasmie wzbronionym w pobliżu dołu pasma przewodnictwa tworzy się dozwolony poziom energii (domieszka, donor), na którym znajdują się „dodatkowe” elektrony w temperaturze bliskiej 0 K. Przeniesienie elektronu z poziomu zanieczyszczeń do pasma przewodnictwa wymaga mniej energii niż przeniesienie elektronu z pasma walencyjnego. Odległość od poziomu dawcy do dołu pasma przewodnictwa nazywana jest energią jonizacji (aktywacji) dawców ΔWand.
Wprowadzenie do półprzewodnika domieszki donorowej znacznie zwiększa stężenie wolnych elektronów, natomiast stężenie dziur pozostaje takie samo jak w półprzewodniku natywnym. W takim półprzewodniku domieszkowym przewodnictwo elektryczne wynika głównie z elektronów, nazywa się to elektroniką, a półprzewodniki nazywane są półprzewodnikami typu n. Elektrony w półprzewodnikach typu n są większościowymi nośnikami ładunku (ich stężenie jest duże), a dziury są nośnikami mniejszościowymi.
Jeśli do germanu wprowadzi się domieszkę pierwiastka trójwartościowego (na przykład indu), wówczas jeden elektron nie wystarczy, aby ind utworzył ośmioelektronowe wiązanie kowalencyjne z germanem. Jedno połączenie pozostanie puste. Przy niewielkim wzroście temperatury elektron z sąsiedniego atomu germanu może przejść do niewypełnionego wiązania walencyjnego, pozostawiając na swoim miejscu dziurę (ryc. 16.8, a), którą można również wypełnić elektronem itp. W ten sposób dziura wydaje się poruszać w półprzewodniku. Atom zanieczyszczeń zamienia się w jon ujemny. Zanieczyszczenia, których atomy po wzbudzeniu są w stanie przyjąć elektrony walencyjne z sąsiednich atomów, tworząc w nich dziurę, nazywane są akceptorami lub akceptorami.
Na ryc. Rysunek 16.8b przedstawia diagram pasm energetycznych półprzewodnika z domieszką akceptorową. Poziom energii domieszki (akceptor) powstaje w pasmie wzbronionym w pobliżu szczytu pasma walencyjnego. W temperaturach bliskich 0 K poziom ten jest wolny; wraz ze wzrostem temperatury może zostać zajęty przez elektron w paśmie walencyjnym, w którym po opuszczeniu elektronu tworzy się dziura. Odległość od szczytu pasma walencyjnego do poziomu akceptora nazywana jest energią jonizacji (aktywacji) akceptorów ΔWа. Wprowadzenie do półprzewodnika domieszki akceptorowej znacznie zwiększa stężenie dziur, natomiast stężenie elektronów pozostaje takie samo jak w półprzewodniku natywnym. W tym półprzewodniku domieszkowym przewodnictwo elektryczne wynika głównie z dziur, nazywa się to przewodnością dziurową, a półprzewodniki nazywane są półprzewodnikami typu p. W przypadku półprzewodnika typu p dziury są większościowymi nośnikami ładunku, a elektrony mniejszościowymi nośnikami ładunku.
W półprzewodnikach zanieczyszczonych oprócz przewodnictwa elektrycznego zanieczyszczeń występuje również przewodnictwo wewnętrzne, spowodowane obecnością nośników mniejszościowych. Stężenie nośników mniejszościowych w półprzewodniku domieszkowym maleje tyle razy, ile wzrasta stężenie nośników większościowych, zatem dla półprzewodników typu n obowiązuje zależność nnpn = nipi = ni2 = pi2, a dla półprzewodników typu p zależność wynosi ppnp = ni2 = pi2, gdzie nn i pn to stężenie nośników większościowych, a pp i np to stężenie odpowiednio nośników ładunku mniejszościowego w półprzewodniku typu n i p.
Specyficzna przewodność elektryczna półprzewodnika domieszkowego zależy od stężenia większości nośników i jest tym większa, im wyższe jest ich stężenie. W praktyce często zdarza się, że półprzewodnik zawiera zarówno zanieczyszczenia donorowe, jak i akceptorowe. Następnie rodzaj przewodności elektrycznej zostanie określony na podstawie zanieczyszczenia, którego stężenie jest wyższe. Półprzewodnik, w którym stężenia donorów Nd i akceptorów Na są równe (Nd = Na)) nazywa się kompensowanym.
Oprócz przewodników prądu elektrycznego w przyrodzie występuje wiele substancji, które mają znacznie niższą przewodność elektryczną niż przewodniki metalowe. Substancje tego rodzaju nazywane są półprzewodnikami.
Do półprzewodników należą: niektóre pierwiastki chemiczne, takie jak selen, krzem i german, związki siarki, takie jak siarczek talu, siarczek kadmu, siarczek srebra, węgliki, takie jak karborund,węgiel (diament),bor, szara cyna, fosfor, antymon, arsen, tellur, jod i szereg związków zawierających co najmniej jeden z pierwiastków 4. - 7. grupy układu okresowego. Istnieją również półprzewodniki organiczne.
Charakter przewodności elektrycznej półprzewodnika zależy od rodzaju zanieczyszczeń występujących w materiale bazowym półprzewodnika oraz od technologii wytwarzania jego elementów.
Półprzewodnik to substancja o 10 -10 - 10 4 (om x cm) -1, która zgodnie z tymi właściwościami znajduje się pomiędzy przewodnikiem a izolatorem. Zgodnie z teorią pasmową różnica między przewodnikami, półprzewodnikami i izolatorami jest następująca: w czystych półprzewodnikach i izolatorach elektronicznych istnieje przerwa energetyczna pomiędzy wypełnionym pasmem (walencyjnym) a pasmem przewodnictwa.
Dlaczego półprzewodniki przewodzą prąd?
Półprzewodnik ma przewodność elektronową, jeśli zewnętrzne elektrony w jego atomach zanieczyszczeń są stosunkowo słabo związane z jądrami tych atomów. Jeżeli w tego rodzaju półprzewodniku wytworzy się pole elektryczne, wówczas pod wpływem sił tego pola zewnętrzne elektrony atomów zanieczyszczeń półprzewodnika opuszczą granice swoich atomów i zamienią się w wolne elektrony.
Swobodne elektrony będą wytwarzać prąd przewodzenia elektrycznego w półprzewodniku pod wpływem sił pola elektrycznego. W związku z tym charakter prądu elektrycznego w półprzewodnikach o przewodności elektronicznej jest taki sam jak w przewodnikach metalowych. Ponieważ jednak w jednostkowej objętości półprzewodnika jest wielokrotnie mniej wolnych elektronów niż w jednostkowej objętości metalowego przewodnika, jest rzeczą naturalną, że we wszystkich innych identycznych warunkach prąd w półprzewodniku będzie wielokrotnie mniejszy niż w przewodnik metalowy.
Półprzewodnik ma przewodnictwo „dziurowe”, jeśli jego atomy zanieczyszczeń nie tylko nie oddają swoich zewnętrznych elektronów, ale wręcz przeciwnie, mają tendencję do wychwytywania elektronów z atomów głównej substancji półprzewodnika. Jeśli atom domieszki pobiera elektron z atomu substancji głównej, wówczas w tym ostatnim powstaje coś w rodzaju wolnej przestrzeni dla elektronu - „dziury”.
Atom półprzewodnika, który utracił elektron, nazywany jest „dziurą elektronową” lub po prostu „dziurą”. Jeśli „dziura” zostanie wypełniona elektronem przeniesionym z sąsiedniego atomu, wówczas zostanie on wyeliminowany, a atom stanie się elektrycznie obojętny, a „dziura” zostanie przesunięta do sąsiedniego atomu, który utracił elektron. W konsekwencji, jeśli półprzewodnik o przewodnictwie „dziurowym” zostanie wystawiony na działanie pola elektrycznego, wówczas „dziury elektronowe” przesuną się w kierunku tego pola.
Stronniczość „dziury elektronowe” w kierunku pola elektrycznego są podobne do ruchu dodatnich ładunków elektrycznych w polu i dlatego reprezentują zjawisko prądu elektrycznego w półprzewodniku.
Półprzewodników nie można ściśle rozróżnić na podstawie mechanizmu ich przewodnictwa elektrycznego, ponieważ wraz zW przypadku przewodnictwa „dziurowego” dany półprzewodnik może w takim czy innym stopniu mieć również przewodność elektronową.
Półprzewodniki charakteryzują się:
rodzaj przewodności (elektroniczny - typ n, dziurowy - typ p);
oporność;
czas życia nośników ładunku (mniejszość) lub długość dyfuzji, szybkość rekombinacji powierzchniowej;
gęstość dyslokacji.
Krzem jest najpopularniejszym materiałem półprzewodnikowym
Temperatura ma znaczący wpływ na właściwości półprzewodników. Jego wzrost prowadzi przeważnie do spadku rezystywności i odwrotnie, tj. półprzewodniki charakteryzują się obecnością ujemnego . W pobliżu zera absolutnego półprzewodnik staje się izolatorem.
Półprzewodniki są podstawą wielu urządzeń. W większości przypadków należy je otrzymać w postaci monokryształów. Aby nadać określone właściwości, półprzewodniki domieszkuje się różnymi zanieczyszczeniami. Zwiększone wymagania stawiane są czystości wyjściowych materiałów półprzewodnikowych.
Półprzewodniki znalazły najszersze zastosowanie we współczesnej technologii, wywarły one bardzo silny wpływ na postęp techniczny. Dzięki nim możliwe jest znaczne zmniejszenie wagi i wymiarów urządzeń elektronicznych. Rozwój wszystkich dziedzin elektroniki prowadzi do powstania i udoskonalenia dużej liczby różnorodnych urządzeń opartych na urządzeniach półprzewodnikowych. Urządzenia półprzewodnikowe stanowią podstawę mikroogniw, mikromodułów, obwodów półprzewodnikowych itp.
Urządzenia elektroniczne oparte na elementach półprzewodnikowych są praktycznie bezwładnościowe. Starannie skonstruowane i dobrze uszczelnione urządzenie półprzewodnikowe może wytrzymać dziesiątki tysięcy godzin. Jednak niektóre materiały półprzewodnikowe mają niską granicę temperatury (na przykład german), ale niezbyt skomplikowana kompensacja temperatury lub zastąpienie głównego materiału urządzenia innym (na przykład krzem, węglik krzemu) w dużej mierze eliminuje tę wadę. Udoskonalanie technologii wytwarzania urządzeń półprzewodnikowych prowadzi do zmniejszenia istniejącego rozproszenia i niestabilności parametrów.
Styk półprzewodnik-metal i złącze elektron-dziura (złącze n-p) utworzone w półprzewodnikach są wykorzystywane do produkcji diod półprzewodnikowych. Złącza podwójne (p-n-p lub n-p-n) - tranzystory i tyrystory. Urządzenia te służą głównie do prostowania, generowania i wzmacniania sygnałów elektrycznych.
W oparciu o właściwości fotoelektryczne półprzewodników tworzone są fotorezystory, fotodiody i fototranzystory. Półprzewodnik służy jako aktywna część generatorów oscylacji (wzmacniaczy). Kiedy prąd elektryczny przepływa przez złącze pn w kierunku do przodu, nośniki ładunku - elektrony i dziury - łączą się ponownie, emitując fotony, które są wykorzystywane do tworzenia diod LED.
Właściwości termoelektryczne półprzewodników umożliwiły wytwarzanie półprzewodnikowych oporów cieplnych, półprzewodnikowych termoelementów, termopoli i generatorów termoelektrycznych, a także termoelektryczne chłodzenie półprzewodników w oparciu o efekt Peltiera, - lodówki termoelektryczne i termostabilizatory.
Półprzewodniki stosuje się w bezmaszynowych przetwornikach energii cieplnej i słonecznej na energię elektryczną - generatorach termoelektrycznych i konwerterach fotoelektrycznych (baterie słoneczne).
Naprężenie mechaniczne przyłożone do półprzewodnika zmienia jego rezystancję elektryczną (efekt jest silniejszy niż w metalach), co było podstawą tensometru półprzewodnikowego.
Urządzenia półprzewodnikowe stały się powszechne w praktyce światowej, rewolucjonizując elektronikę, służą jako podstawa do rozwoju i produkcji:
sprzęt pomiarowy, komputery,
sprzęt dla wszelkiego rodzaju łączności i transportu,
do automatyzacji procesów w przemyśle,
urządzenia do badań naukowych,
technika rakietowa,
wyposażenie medyczne
inne urządzenia i instrumenty elektroniczne.
Zastosowanie urządzeń półprzewodnikowych umożliwia tworzenie nowego sprzętu i ulepszanie starego, co oznacza zmniejszenie jego wymiarów, masy, poboru mocy, a co za tym idzie zmniejszenie wytwarzania ciepła w obwodzie, wzrost wytrzymałości, natychmiastową gotowość do działania i może zwiększyć żywotność i niezawodność urządzeń elektronicznych.
Właściwości półprzewodników - właściwość bursztynu po natarciu wełną do przyciągania do siebie małych przedmiotów została odkryta już dawno temu. Jednak zjawiska elektryczne, zmienne i przemijające, przez długi czas pozostawały w cieniu zjawisk magnetycznych i były bardziej stabilne w czasie.
W XVII i XVIII wieku eksperymenty elektryczne stały się powszechnie dostępne i dokonano szeregu nowych odkryć. W 1729 roku Anglik Stephen Gray odkrył, że wszystkie substancje dzielą się na 2 klasy: izolatory nie mogące przenosić ładunku elektrycznego (zwane „ciałami elektrycznymi”, ponieważ mogą być elektryzowane w wyniku tarcia) oraz przewodniki zdolne do przenoszenia ładunku (tzw. „ciała nieelektryczne”). -ciała elektryczne”).
Współczesne poglądy na temat właściwości elektrycznych substancji
Wraz z rozwojem kolejnych pomysłów zaczęto charakteryzować właściwości substancji przewodzących prąd elektryczny ilościowo – wartością przewodności właściwej, mierzoną w simensach na metr (S/m). W temperaturze pokojowej przewodność przewodników mieści się w zakresie od 10 6 do 10 8 S/m, a dla dielektryków (izolatorów) jest mniejsza niż 10 -8 S/m.
Substancje zajmujące pozycję pośrednią pod względem przewodności są logicznie nazywane półprzewodnikami lub półizolatorami. Imię zostało ustalone historycznie. Przewodność półprzewodników mieści się w zakresie od 10 -8 do 10 6 S/m. Nie ma ostrych granic między tymi 3 rodzajami substancji, różnice jakościowe wynikają z różnicy właściwości ilościowych.
Z fizyki wiadomo, że elektron w ciele stałym nie może mieć dowolnej energii; energia ta może przyjmować jedynie określone wartości, zwane poziomami energii. Im bliżej jądra znajduje się elektron w atomie, tym niższa jest jego energia. Odległy elektron ma najwyższą energię. W procesach elektrycznych i chemicznych uczestniczą jedynie elektrony zewnętrznej powłoki atomu (elektrony tzw. pasma walencyjnego).
Elektrony o energii wyższej niż elektrony z pasma walencyjnego są klasyfikowane jako elektrony z pasma przewodnictwa. Elektrony te nie są powiązane z pojedynczymi atomami i poruszają się losowo w ciele, aby umożliwić przewodzenie.
Atomy substancji, które przekazały elektron do pasma przewodnictwa, uważa się za jony naładowane dodatnio; są nieruchome i tworzą sieć krystaliczną substancji, w której poruszają się elektrony przewodnictwa. W przewodnikach (metalach) pasmo przewodnictwa sąsiaduje z pasmem walencyjnym, a każdy atom metalu bez zakłóceń oddaje jeden lub więcej elektronów do pasma przewodnictwa, co zapewnia metalom właściwość przewodnictwa elektrycznego.
Właściwości półprzewodników są określone przez pasmo wzbronione
W półprzewodnikach i dielektrykach pomiędzy pasmem walencyjnym a pasmem przewodnictwa występuje tzw. obszar zabroniony. Elektrony nie mogą mieć energii odpowiadającej energii poziomów tej strefy. Podział substancji na dielektryki i półprzewodniki odbywa się w zależności od szerokości pasma wzbronionego. Przy pasmie wzbronionym wynoszącym kilka elektronowoltów (eV) elektrony z pasma walencyjnego mają niewielką szansę na wejście do pasma przewodnictwa, co powoduje, że substancje te są nieprzewodzące. Zatem diament ma pasmo wzbronione 5,6 eV. Jednak wraz ze wzrostem temperatury elektrony w paśmie walencyjnym zwiększają swoją energię, a część z nich przechodzi do pasma przewodnictwa, co pogarsza właściwości izolacyjne dielektryków.
Jeśli przerwa wzbroniona jest rzędu jednego elektronowolta, substancja uzyskuje zauważalną przewodność już w temperaturze pokojowej, a wraz ze wzrostem temperatury staje się jeszcze bardziej przewodząca. Substancje takie klasyfikujemy jako półprzewodniki, a właściwości półprzewodników określa pasmo wzbronione.
W temperaturze pokojowej pasmo wzbronione półprzewodników jest mniejsze niż 2,5-3 eV. Na przykład pasmo wzbronione germanu wynosi 0,72 eV, a krzemu 1,12 eV. Półprzewodniki o szerokim pasmie wzbronionym obejmują półprzewodniki o pasmie wzbronionym większym niż 2 eV. Zwykle im większe pasmo wzbronione półprzewodnika, tym wyższa jest jego temperatura topnienia. Zatem german ma temperaturę topnienia 936 ° C, a krzem ma temperaturę topnienia 1414 ° C.
Dwa rodzaje przewodnictwa półprzewodników - elektron i dziura
W temperaturze zera absolutnego (-273 ° C), w czystym półprzewodniku (półprzewodniku wewnętrznym lub półprzewodniku I-typ) wszystkie elektrony znajdują się w atomach, a półprzewodnik jest izolatorem. Wraz ze wzrostem temperatury część elektronów z pasma walencyjnego wchodzi do pasma przewodnictwa i następuje przewodzenie elektronowe. Ale kiedy atom traci elektron, staje się naładowany dodatnio.
Atom zajmujący miejsce w sieci krystalicznej nie może poruszać się pod wpływem pola elektrycznego, ale jest w stanie przyciągnąć elektron z sąsiedniego atomu, wypełniając „dziurę” w swoim paśmie walencyjnym. Atom, który utracił elektron, również będzie szukał okazji do wypełnienia „dziury” powstałej w zewnętrznej powłoce. Dziura ma wszystkie właściwości ładunku dodatniego i możemy założyć, że w półprzewodniku występują 2 rodzaje nośników - elektrony naładowane ujemnie i dziury naładowane dodatnio.
Elektrony przewodnictwa mogą zajmować wolne miejsca w paśmie walencyjnym, tj. połączyć z dziurami. Proces ten nazywa się rekombinacją, a ponieważ powstawanie i rekombinacja nośników zachodzi jednocześnie, w danej temperaturze liczba par nośników znajduje się w stanie równowagi dynamicznej – liczbę par powstałych porównuje się z liczbą par rekombinowanych.
Wewnętrzna przewodność półprzewodnika I-typ składa się z przewodnictwa elektronowego i dziurowego, z przewagą przewodnictwa elektronowego, ponieważ elektrony są bardziej ruchliwe niż dziury. Specyficzna przewodność elektryczna metali lub półprzewodników zależy od liczby nośników ładunku w 1 metrze sześciennym. cm lub od koncentracji elektronów i dziur.
Jeśli liczba atomów w 1 sześciennym cm substancji rzędu 10 22, wówczas w temperaturze pokojowej w metalach liczba elektronów przewodzących jest nie mniejsza niż liczba atomów, tj. również rzędu 10 22, podczas gdy w czystym germanie stężenie nośników ładunku wynosi około 10 13 cm -3, a w krzemie 10 10 cm -3, czyli znacznie mniej niż w metalu, dlatego przewodność półprzewodniki są miliony i miliardy razy gorsze niż metale.
Wszystko przez zanieczyszczenia
Po przyłożeniu napięcia do półprzewodnika powstające w nim pole elektryczne przyspiesza elektrony i dziury, ich ruch zostaje uporządkowany i powstaje prąd elektryczny - prąd przewodzący. Oprócz przewodnictwa wewnętrznego w półprzewodnikach występuje również przewodnictwo zanieczyszczeń, które, jak można się domyślić z nazwy, wynika z obecności zanieczyszczeń w półprzewodniku.
Jeśli do 4-wartościowego germanu doda się niewielką ilość 5-wartościowego antymonu, arsenu lub fosforu, atomy zanieczyszczenia będą wykorzystywać 4 elektrony do wiązania się z atomami germanu, a piąty będzie w paśmie przewodnictwa, co radykalnie poprawia przewodność półprzewodnika. Takie zanieczyszczenia, których atomy oddają elektrony, nazywane są donorami. Ponieważ w takich półprzewodnikach dominuje przewodność elektronowa, nazywa się je półprzewodnikami N-type (od angielskiego słowa negatywny- negatywny). Aby wszystkie atomy dawcy oddały elektron do pasma przewodnictwa, pasmo energii atomów dawcy musi znajdować się jak najbliżej pasma przewodnictwa półprzewodnika, nieco poniżej niego.
Kiedy do 4-wartościowego germanu doda się zanieczyszczenie w postaci 3-wartościowego boru, indu lub glinu, atomy domieszki odbierają elektrony atomom germanu, a german zyskuje przewodność dziurową i staje się półprzewodnikiem P-type (od angielskiego słowa pozytywny– pozytywne). Zanieczyszczenia tworzące przewodnictwo dziurowe nazywane są akceptorami.
Aby akceptory mogły łatwo wychwytywać elektrony, poziomy energii atomów akceptora muszą przylegać do poziomów pasma walencyjnego półprzewodnika, znajdujących się tuż nad nim.
Przewodnictwo zanieczyszczeń zwykle znacznie przekracza przewodnictwo własne, ponieważ stężenie atomów donora lub akceptora znacznie przekracza stężenie wewnętrznych nośników. Bardzo trudno jest uzyskać półprzewodnik ze ściśle dozowaną ilością zanieczyszczeń, a półprzewodnik wyjściowy musi być jednocześnie bardzo czysty. Zatem w przypadku germanu na 10 miliardów atomów germanu nie może być więcej niż jeden atom obcego zanieczyszczenia (tj. ani donora, ani akceptora), a w przypadku krzemu wymagania dotyczące czystości są nawet 1000 razy wyższe.
Przejście metal-półprzewodnik
W urządzeniach półprzewodnikowych istnieje potrzeba stosowania styków półprzewodnikowo-metalowych. Substancję (metal lub półprzewodnik) charakteryzuje energia potrzebna do opuszczenia substancji przez elektron – praca wyjścia. Oznaczmy funkcję pracy z metalu jako A m, a z półprzewodnika jako A p.
Styki omowe
Jeżeli konieczne jest utworzenie styku omowego (tj. nieprostującego, gdy rezystancja styku jest niska przy dowolnej polaryzacji przyłożonego napięcia), wystarczy zapewnić kontakt metalu z półprzewodnikiem w następujących warunkach:
- W kontakcie z n-półprzewodnikiem: A m< A п;
- W kontakcie z półprzewodnikiem p: A m > A p .
Takie właściwości półprzewodników tłumaczy się faktem, że większość nośników gromadzi się w warstwie granicznej półprzewodnika, co zapewnia jego niską rezystancję. Akumulację nośników większościowych zapewnia fakt, że elektrony zawsze przemieszczają się z substancji o niższej funkcji pracy do substancji o wyższej funkcji pracy.
Styki prostownika
Ale jeśli z półprzewodnikiem N-typ, w którym metal styka się z A m > A p, wówczas elektrony przemieszczają się z półprzewodnika do metalu, a w warstwie granicznej tworzy się obszar zubożony w większość nośników i charakteryzujący się niską przewodnością. Aby pokonać utworzoną barierę, na styk należy przyłożyć napięcie o określonej polaryzacji i wystarczającej wielkości. Po zastosowaniu odwrotnej polaryzacji przewodność styku pogorszy się jeszcze bardziej – taki styk ma właściwości prostujące. Łatwo zauważyć, że kontakt metal-półprzewodnik ma podobne właściwości do półprzewodników. P-wpisz w A m< A п.
Historia detektora półprzewodników
Podobne właściwości półprzewodników metalowo-półprzewodnikowych odkrył niemiecki fizyk Ferdinand Braun w 1874 roku. Najwcześniejsze diody metalowo-półprzewodnikowe pojawiły się około 1900 roku, kiedy w odbiornikach radiowych zaczęto stosować detektory składające się z drutu wolframowego dociśniętego do powierzchni kryształu galeny (siarczku ołowiu). Radioamatorzy sami stworzyli detektory, łącząc ołów z siarką.
W 1906 roku francuski naukowiec G. Picard zaprojektował detektor z kryształu krzemu i spiralnej sprężyny kontaktowej z końcówką i otrzymał na niego patent. Urządzenia elektroniczne oparte na styku metal-półprzewodnik nazywane są diodami Schottky'ego na cześć niemieckiego fizyka Waltera Schottky'ego, który badał takie styki.
W 1926 roku pojawiły się potężne elementy prostownicze typu cuprox, składające się z miedzianej płytki pokrytej warstwą tlenku miedziawego, które znalazły szerokie zastosowanie w jednostkach napędowych.
Przejście elektron-dziura
Przejście elektron-dziura, lub n-p-złącze to obszar na granicy dwóch półprzewodników o różnych typach przewodnictwa, a działanie urządzeń półprzewodnikowych opiera się na wykorzystaniu właściwości takich przejść. W przypadku braku przyłożenia napięcia do złącza nośniki ładunku przemieszczają się z obszarów o większym stężeniu do obszarów o niższym stężeniu – poza półprzewodnik N-typ półprzewodnikowy P-elektrony poruszają się, a dziury poruszają się w przeciwnym kierunku.
W wyniku tych ruchów po obu stronach granicy faz pojawiają się obszary z ładunkiem kosmicznym i pomiędzy tymi obszarami powstaje różnica potencjałów kontaktowych. Ta różnica potencjałów tworzy barierę potencjału, która zapobiega przedostawaniu się kolejnych nośników przez barierę. Wysokość bariery (różnica potencjałów styków) zależy od stężenia zanieczyszczeń, a dla germanu zwykle wynosi 0,3-0,4 V, osiągając 0,7 V. W stanie ustalonym przez złącze nie płynie prąd, ponieważ p-n- złącze ma dużą rezystancję w porównaniu do innych obszarów półprzewodników, a powstałą warstwę nazywa się warstwą blokującą.
Jeśli n-p-przyłożyć napięcie zewnętrzne do złącza, wówczas w zależności od polaryzacji złącze będzie zachowywać się inaczej.
Przepływ prądu stałego przez złącze
Jeśli do półprzewodnika P-wpisz, zastosuj „plus” źródła napięcia, wówczas pole wytworzone przez źródło działa przeciwnie do pola różnicy potencjałów stykowych, pole całkowite maleje, zmniejsza się wysokość bariery potencjału i większa liczba nośników pokonać to. Przez złącze zaczyna płynąć prąd zwany prądem stałym. Jednocześnie zmniejsza się grubość warstwy ochronnej i jej opór elektryczny.
Aby wygenerować znaczny prąd przewodzenia, wystarczy przyłożyć do złącza napięcie porównywalne z wysokością bariery w przypadku braku przyłożonego napięcia, tj. dziesiątych części wolta, a przy jeszcze wyższym napięciu rezystancja warstwy barierowej będzie bliska zeru.
Odwrotny przepływ prądu przez złącze
Jeżeli napięcie zewnętrzne jest „odwrócone”, tj. dołączyć do P-półprzewodnikowe źródło napięcia „minus”, zewnętrzne pole napięcia zsumuje się z polem różnicy potencjałów stykowych. Zwiększa się wysokość bariery potencjału, co będzie utrudniać dyfuzję większości nośników przez złącze, a prąd płynący przez złącze, zwany „rewersem”, będzie niewielki. Warstwa barierowa staje się grubsza, a jej opór elektryczny wzrasta.
Właściwości prostownicze złączy elektron-dziura wykorzystywane są w diodach o różnej mocy i przeznaczeniu - do prostowania prądu przemiennego w zasilaczach i słabych sygnałów w urządzeniach różnego przeznaczenia.
Inne zastosowania właściwości półprzewodników
Złącze elektron-dziura pod napięciem wstecznym zachowuje się podobnie do naładowanego kondensatora elektrycznego o pojemności od kilku do setek pikofaradów. Pojemność ta zależy od napięcia przyłożonego do złącza, co pozwala na stosowanie niektórych typów urządzeń półprzewodnikowych jako kondensatorów zmiennych sterowanych przyłożonym napięciem.
Nieruchomości n-p-przejścia zależą także w istotnym stopniu od temperatury ośrodka, co umożliwia zastosowanie niektórych typów urządzeń półprzewodnikowych jako czujników temperatury. Urządzenia z trzema obszarami o różnej przewodności, np n-p-n, pozwalają na tworzenie urządzeń posiadających właściwości wzmacniania sygnałów elektrycznych, a także ich generowania.