Якщо у кристалі напівпровідника замістити власні атоми на атоми домішок з одним зайвим валентним електроном, то цей зайвий електрон легко відривається від остова і стає вільним. Наприклад, енергія відриву валентного електрона від атома фосфора (іонізація) становить 10.3 В, а енергія відриву цього електрона у кристалі германія під впливом кристалічного поля складає 0.05 еВ. У випадку коли концентрація домішки буде більшою ніж концентрація власних носіїв струму, вільні електрони домішок стануть основними носіями струму. Така домішка назівається донорною, а напівпровідник називають n-напівпровідником. Провідність донорного напівпровідника записують у вигляді .
Якщо домішка буде мати число валентних електронів на один менше, ніж це необхідно для утворення повного зв'язку у кристалі, то виникне дірка. Перехід валентного електрона на вакансію домішки потребує енергію, як і у випадку донорної домішки, коло 0.05 еВ. У випадку коли концентрація домішки буде більшою ніж концентрація власних носіїв струму, то дірки домішок стануть основними носіями струму. Така домішка назівається акцепторною, а напівпровідник називають p-напівпровідником.
Провідність акцепторного напівпровідника записують у вигляді .
Для власної провідності залежність концентрації n електронів провідності та дірок від температури має вид
,
де - енергія активації.
Для домішкової провідності залежність концентрації n носіїв струму від температури має вид
,
де - енергія відриву валентного електрона донорної домішки, або енергія переходу валентного електрона напівпровідника на вакансію акцепторної домішки.
Нижче у таблиці наведені значення характеристик електронів та дірок різних домішок. Як видно з таблиці, енергії відриву електронів донорних домішок досить малі у той же час енергія іонізації атомів цих домішок досить значна і становить для фосфору Р 10.3 еВ, для миш'яку As – 9.4 еВ, для сурьми Sb – 8.5 еВ. Це явище пояснюється впливом кристалічного поля напівпровідника на атоми донорних домішок.
Таблиця 2. Деякі характеристики кремнію та германія.
Cимвол та ширина забороненої зони | рухливість | щілина для донора (еВ) | щілина для акцептора (еВ) | Питомий опір | Відно-шення мас електронів | ||||||
un | up | P | As | Sb | B | Al | Іn | ||||
Si | 1,1 | 0,135 | 0,04 | 0,05 | 0,05 | 0,039 | 0,045 | 0,06 | 0,07 | 0,2 | |
Ge | 0,72 | 0,45 | 0,4 | 0,01 | 0,013 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,01 | 0,1 |
Застереження. При деякій температурі величина власної провідності у домішковому напівпровідникові зросте й стане рівною або більшою провідності домішки. При цій температурі перестануть працювати напівпровідникові прилади, характеристики яких ґрунтуються на властивостях домішкових напівпровідників.
Напівпровідниковий діод
При утворенні контакту р- та n-напівпровідників починаються процеси дифузії та рекомбінації носіїв струму. Дифузія виникає внаслідок різної концентрації електронів та дірок у сполучених р- та n-областях. При дифузії вільного електрона з n-області там залишається додатній іон донорної домішки (від нього саме відірвався цей електрон) і в р-області він може займати вакансію зв’язку акцепторної домішки, перетворюючи її у від’ємний іон. Такий процес називається рекомбінацією електрона та дірки. Очевидно, що під час цього процесу зникають носії струму. Під рекомбінацією дірки у n-області слід розуміти виникнення вакансії зв'яжу між атомами у ній і зайняття її електроном донора. Це означає зникнення електрона й дірки як носіїв струму й утворення знову ж таки додатного іона донорної домішки в р-області й від’ємного іона акцепторної домішки в р-області. Таким чином, границя n- і р-області збіднюється носіями струму, а зарядами Q іонів домішок створюється внутрішнє електричне поле з напруженістю , направленою від n- до р-області. Це поле протидіє дифузії. У якийсь час зростає до такої величини, що дифузія електронів та дірок припиняється.
При накладанні зовнішнього поля з напруженістю , яка за напрямком співпадає з , рух електронів та дірок, як носіїв струму ще більше гальмується і струм Ізв майже відсутній аж до зовнішньої напруги, при якій напівпровідник пробивається - атоми іонізуються. Таке ввімкнення напруги ("+" на n-область і "-" на р-область) називається зворотнім (див.Рис.1).. При накладанні зовнішнього поля з напруженістю , яка за напрямком протилежна до , рух електронів та дірок відновлюється з моменту часу, коли Ез стає > Е0 і спостерігається значно більший струм Іпр, ніж у попередньому випадку. Таке ввімкнення напруги ("+" на р-область і "-" на n-область) називається прямим (див.Рис.1). Напруга V, при якій Ез стає > Е0, називається потенціальним бар’єром напівпровідника.
Відношення при однаковій величині напруги, що створює ці струми, називається коефіцієнтом випрямлення. Ця величина змінюється зі зміною величини напруги. Таким чином, контакт р- і n-напівпровідників має односторонню (вентильну) провідність електричного струму. Ця властивість зникає коли температура діода підвищується до такої, що власна провідність стає більшою ніж домішкова.