Полупроводниковые материалы объединяют обширный класс материалов с удельным сопротивлением 108 - 106 Ом*мм. К этим материалам относятся как химические элементы: кремний (Si), германий (Ge); так и окислы: окись меди (Cu2O), окись цинка (ZnO). Наибольшее распространение в радиоэлектронике получили кремний и германий. На рисунке показана структура идеального кристалла кремния.
Четыре валентных электрона (е) любого атома образуют связанную пару с такими же валентными электронами четырех соседних атомов. Идеальный кристалл кремния не проводит электричес- кого тока.
Электрические свойства идеального кристалла кремния существенно изменяются при добавлении в него примесей других химических элементов. В качестве примесей применяются обычно элементы V группы (сурьма Sb, фосфор P), либо элементы III группы (галлий Ga, индий In) периодической системы Д.И. Менделеева.
На рисунке изображена электронная структура кристалла кремния с примесью фосфора. У фосфора пять валентных электронов, поэтому четыре валентных электрона фосфора образуют валентную связь с четырьмя соседними атомами кремния, а один валентный электрон фосфора получается свободным.
В этом случае получается избыток свободных электронов которые могут участвовать в проводимости электрического тока, а такой полупроводник с электронной проводимостью называется полупроводником n-типа (n - сокращение от слова negative - отрицательный).
Если в качестве примеси используется индий, имеющий три валентных электрона, то в электронной структуре кристалла кремния
одна валентная связь атома индия с четырьмя соседними атомами кремния недоукомплектована и в кристалле образуется "дырка". Избыток дырок приводит к тому, что кристалл кремния получает дырочную проводимость, а такой полупроводник называется полупроводником р - типа (р - сокращение от слова positive - положительный).
В дальнейшем будем обозначать полупроводники с электронной проводимостью как показано на рисунке 1, а полупроводники с дырочной проводимостью как показано на рисунке 2.
Если в одну часть кристалла полупроводникового вещества добавить фосфор, а в другую добавить индий (рис. 3), то получится полупроводниковый прибор. Принцип работы большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, возникающих на границе раздела между n и p полупроводниками.
В pn переходе (см. рисунок) происходят сложные явления которые изучает зонная теория. Рассмотрим вкратце как ведет себя p-n переход если к полупроводнику не подключен внешний источник постоянного напряжения. Дырки из приграничной области р типа дрейфуют в полупроводник n типа, а электроны наоборот в полупроводник р типа.
В результате вдоль границы раздела полупроводников образуется слой неподвижных отрицательных ионов со стороны полупроводника р - типа и слой неподвижных положительных ионов со стороны полупроводника n - типа, которые образуют pn переход. Между p и n слоями образуется электрическое поле с напряженностью Е, которое препятствует дальнейшему перемещению свободных дырок и электронов и при некотором значении напряженности электрического поля в pn переходе диффузия (диффузия - внедрение частиц в какой либо материал) прекращается. Если электрический потенциал на границе раздела полупроводников (точка Х = 0 на графике) принять равным нулю, то распределение потенциала в p и n полупроводниках будет таким как показано на графике, а разность потенциалов dФ на p-n переходе называется высотой потенциального барьера.
Если к торцам полупроводников p- и n-типов соответственно подключить отрицательный и положительный полюсы источника постоянного напряжения (см. Рис. 1)
то электроны (имеющие отрицательный заряд) притянутся в сторону положительного полюса источника питания, а дырки (имеющие положительный заряд) притянутся в сторону отрицательного полюса источника. Следовательно в цепи не будет электрического тока. Если поменять полярность источника постоянного напряжения на обратную (Рис.2), то электроны начнут двигаться в сторону положительного полюса источника, а дырки в сторону отрицательного полюса источника, следовательно через p-n переход будет проходить электрический ток. И так полупроводник p-n типа проводит электрический ток в одном направлении и не проводит в другом направлении. Рассмотренный нами простейший полупроводниковый прибор называется "полупроводниковый диод".