Андрей Варламов - Физика повседневности. От мыльных пузырей до квантовых технологий

Состояние полупроводника удобно представлять на двумерной диаграмме (илл. 4), где по оси y отложена энергия, а ось x задает направление внутри кристалла. Такая упрощенная трактовка позволяет дать представление об основных процессах, в нем происходящих. Примесным уровням соответствуют состояния внутри запрещенной зоны, в противном случае вносимые ими электроны или дырки могли бы двигаться. Энергия Ферми E Ф (или, как ее еще называют, уровень Ферми (см. главу 27, «Плотность электронных состояний в металле… который становится сверхпроводником»)) являет собой границу между занятыми состояниями и состояниями с более высокой энергией, которые при нулевой температуре пусты. При ненулевой, но не слишком высокой температуре некоторая часть электронов перебирается в зону проводимости, а часть дырок – в валентную полосу. Без легирования их количества обычно невелики. При добавлении примесей типа n ( n -легирование) в зоне проводимости появляются дополнительные электроны, поэтому энергия Ферми, которая возрастает с увеличением их концентрации, приближается к зоне проводимости (илл. 5b). И наоборот, p -легирование сдвигает энергию Ферми вниз, ближе к валентной зоне (илл. 5a).

4. Интегральные схемы на пластине из кремния. Сотни тысяч транзисторов образуют сложные цепи на кристаллической подложке. Сложный дизайн транзисторов и их соединений получается посредством технологического процесса, называемого литографией

5. Зоны легированного полупроводника p -типа (a) и n -типа (b). Введенные примеси (представленные красными квадратами) захватывают электроны, находившиеся до того в валентной зоне (a), в случае легирования p -типа примесные атомы отдают электроны в зону проводимости (b), создавая дополнительные носители заряда и увеличивая тем самым электропроводность полупроводника

Простейшим полупроводниковым электронным устройством является p-n- переход, состоящий из двух соединенных полупроводников с разными типами проводимости – электронной и дырочной.

В области контакта такое соединение становится местом накопления заряда (илл. 5). Действительно, концентрация электронов и дырок в пространстве дискретным образом изменяться не может. Даже в случае возникновения такой дискретности диффузия электронов и дырок восстановит непрерывность (аналогично тому, как теплопроводность между двумя различными температурными зонами приводит к непрерывному распределению температуры, см. главу 18, «Сколько энергии требуется для приготовления пиццы?»). Таким образом, из-за разделения зарядов в области контакта возникает сильное электрическое поле.

P-n- переход обладает примечательным свойством: он пропускает ток только в одном направлении. Предположим, что нам нужно, чтобы ток протекал из полупроводника n -типа в p -область (илл. 6). В области p -типа ток переносится дырками, которые должны удаляться от контакта. В области n -типа ток переносится посредством электронов, которые также должны удаляться от контакта. Если бы в такой цепи установился стационарный ток, то вблизи контакта вскоре не осталось бы свободных зарядов и ток в цепи бы вскоре исчез. Таким образом, электрический ток течь из области n -типа в область p -типа [34] Вообще говоря, очень слабый ток из n -области в p -область все же протекать может, потому что в первой имеется небольшая концентрация дырок, а в последней – электронов. не может. С другой стороны, под воздействием приложенной батареей разности потенциалов ток может протекать из области р -типа в область n -типа: дырки при этом перемещаются в область n -типа, электроны – в область p -типа, на границе которых они аннигилируют («рекомбинируют»). На смену им придут другие электроны и другие дырки, которые появляются в цепи под воздействием разделяющей заряды батареи.

6.(a) Изменение плотности положительных и отрицательных носителей заряда в зависимости от расстояния x в p - n -переходе. Необходимость непрерывного изменения плотности обуславливает образование вокруг контакта (b) электрически заряженной области, где присутствующие носители заряда не компенсируются ионным фоном. Это приводит к возникновению на контакте разности потенциалов