Рис. 12. Здесь в кристаллической решетке полупроводника имеется трехвалентный примесный атом, который стремится притянуть к себе электрон от соседнего атома.
Н. — Короче говоря, эта семья с тремя детьми всемерно стремится усыновить четвертого, чтобы следовать традиции племени или, вернее, чтобы сообразоваться с его общей организацией. Но если она «позаимствует» этого ребенка у чужой семьи, то у последней в свою очередь образуется дырка.
Л. — Разумеется, и это движение заимствований или похищений детей может даже перемещаться с одного конца кристалла на другой.
Н. — Если, как я предполагаю, к кристаллу приложить напряжение.
Л. — Очевидно. Но проследи внимательно, что происходит в этом случае (рис. 13).
Рис. 13. В полупроводнике типа р трехвалентный примесный атом захватывает электрон соседнего атома полупроводника, оставляя там дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, оторвавшимся от соседнего атома, и т. д.
Придя с той стороны, где находится отрицательный полюс, электрон заполнил дырку трехвалентного атома. Следовательно, электрон приблизился к положительному полюсу, тогда как новая дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному полюсу. Затем происходит это же явление. Новая дырка в свою очередь заполняется электроном, приблизившимся таким образом к положительному полюсу, а образовавшаяся за этот счет дырка оказалась еще ближе к отрицательному полюсу. И когда в итоге такого путешествия электрон достигает положительного полюса, откуда он направляется в источник тока, дырка достигает отрицательного полюса, где она заполняется электроном, поступившим из источника тока.
Два потока
Н. — Значит, когда электроны, как им полагается, направляются к положительному полюсу, дырки перемещаются к отрицательному полюсу, как если бы они были частицами с положительными зарядами.
Л. — Да, действительно, все происходит так, как если бы в полупроводнике с трехвалентными примесями положительные заряды, противоположные электронам, перемещались от положительного полюса к отрицательному.
Н. — Таким образом, дырки следуют по условно принятому направлению электрического тока от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Но можно ли сказать, что здесь мы имеем электрический ток, созданный положительными зарядами?
Л. — А почему бы и нет? Не надо только забывать, что дырка представляет собой лишь свободное место, предназначенное для электрона.
Н. — Я предполагаю, что полупроводник, содержащий трехвалентные примеси, должен принадлежать к типу р (от слова positive — положительный).
Л. — Да, так его и называют. И раз уж ты сейчас настроен серьезно поразмыслить, может быть, ты скажешь мне, что происходит с атомами примеси, когда электроны с соседних атомов заполняют их дырки.
Н. — Они становятся отрицательно заряженными ионами, потому что количество электронов стало больше количества их протонов… Весьма любопытно, что в полупроводнике типа n примеси ионизируются положительно, а в полупроводнике типа р — отрицательно.
Л. — Я добавлю, что атомы примесей типа р, такие как атомы алюминия, галлия или индия, часто называют акцепторами, так как они принимают на себя электроны, тогда как атомы примесей типа n отдают их полупроводнику.
Н. — Я начинаю чувствовать, что в моей голове из всех этих доноров и акцепторов получается винегрет.
Л. — Поэтому существует маленькое правило: в слове «донор» есть буква «эн» (n), а в слове акцептор — буква «пэ» (р).
Н. — Спасибо, это несколько облегчит задачу.
Переход, представляющий собой барьер
Л. — Раз ты уже знаешь нравы кристаллических обществ, спокойствие которых нарушается экстравагантными семьями доноров и акцепторов, рассмотрим теперь, что даст объединение полупроводника типа и с полупроводником типа р. Представь себе, что, взяв чистый кристалл германия, я одну половину его «отравил», введя атомы-доноры (например, атомы мышьяка), а в другую половину ввел атомы-акцепторы (индия, если хочешь). Зона разграничения между разными типами полупроводников носит название р-n перехода. Его толщина порядка 0,3 мкм, но такая ничтожная протяженность зоны р-n перехода не мешает ей играть колоссальную роль.
Н. — Я не вижу в этом переходе ничего особенного. В каждой половине нашего кристалла электроны будут продолжать свои короткие прогулки, совершенно не ведая, что происходит в его второй половине.
Л. — Ошибаешься, друг мой. Обычный тепловой ток в этом случае будет сопровождаться другим явлением. Отрицательно ионизированные примесные атомы области р оттолкнут от перехода свободные электроны в области n.
Н. — Правда, а я и не думал об этом взаимном отталкивании одноименных зарядов… Но в этом случае положительно ионизированные атомы области и должны оттолкнуться от перехода дырки в области р.
Л. — Правильно, эти дырки (которые можно рассматривать как элементарные положительные заряды) отталкиваются. В действительности же положительные ионы области и притягивают электроны области р к переходу, в результате чего имеющиеся там дырки заполняются. Вырванные таким образом электроны оставляют дырки на удаленных от перехода атомах. Но все происходит так, как если бы дырки области р ушли от р-n перехода (рис. 14).
Рис. 14. Переход р-n. Дырки области р отталкиваются от перехода, оставляя возле него отрицательные ионы акцепторной примеси. Точно так же свободные электроны области n отталкиваются от перехода, оставляя возле него положительные ионы донорной примеси. Запомните хорошенько принятые здесь четыре условных обозначения, так как они используются на следующих рисунках.
Н. — Значит, в прилегающем к переходу пространстве области р все атомы-акцепторы будут заполнены, т. е. ионизированы отрицательно. Точно так же в области n все атомы-доноры вблизи перехода потеряют по электрону, что сделает их положительными ионами. В то же время свободные носители электрических зарядов (электроны и дырки) в области р-n перехода отсутствуют, так как заряды ионов примесей оттолкнули их к краям кристалла. Все это очень любопытно; наш переход превращается в своего рода барьер между двумя областями, из которых одна с отрицательным, а другая с положительным потенциалом.
Л. — Да, ты очень хорошо рассудил: Переход представляет собой настоящий потенциальный барьер.
В этом тончайшем слое полупроводника потенциал ионизированных атомов резко переходит от положительного значения (в области n — не забудь этого!) к отрицательному (в области р). Но в общей сложности кристалл остается нейтральным, так как в целом положительные и отрицательные заряды уравновешивают друг друга. Создав в полупроводнике области типа р и типа n, мы просто вызвали перемещение подвижных зарядов в оба конца каждой области, тогда как в отсутствие р-n перехода заряды распределяются равномерно по всему кристаллу.
Н. — Все это представляется мне совершенно ясным, но какая нам польза от этого перехода с его потенциальным барьером?
Л. — Ты сразу же ее обнаружишь, если приложишь к р-n переходу напряжение.
Электроны и дырки на прогулке
Н. — Я предполагаю, что мы получим ток, образуемый свободными электронами области n и дырками области р, причем одни движутся в одну, а другие — в обратную сторону.
Л. — Возможно, ты прав, но ты слишком спешишь. Сначала необходимо рассмотреть порознь, что происходит в нашем полупроводнике с р-n переходом при одной и другой полярности приложенного напряжения. Первоначально допустим, что положительный полюс источника напряжения соединен с областью р, а отрицательный полюс — с областью n (рис. 15).
Рис. 15. Прохождение тока через р-n переход. На рисунке обозначены только носители зарядов: электроны (помечены знаком минус) и дырки (помечены знаком плюс), а доноры области n и акцепторы области р для большей ясности опущены.
