Рис. 118. В кристаллической структуре, состоящей из атомов с четырьмя электронами, присутствует посторонний атом с пятью электронами.

А что станет делать пятый? Так вот, он становится свободным. Атом с таким электроном рассматривается как донор. А полупроводник считается типом n, т. е. отрицательным. Если к такому полупроводнику приложить разность потенциалов, то положительный полюс притянет свободные электроны и через полупроводник потечет ток. При этом отрицательный полюс источника будет отдавать электроны.

Самый любопытный факт заключается в том, что в этом отрицательном полупроводнике атомы примеси становятся положительными. В самом деле, уход пятого периферийного электрона нарушает нейтралитет атома и делает его положительным. На месте этого электрона образуется дырка, которую может заполнить другой электрон.

Положительные полупроводники

Посмотрим теперь, что происходит при введении в полупроводник трехвалентных примесей, таких, как алюминий или галлий, атомы которых имеют на внешней оболочке три электрона. Такой атом, попав в кристаллическую решетку из атомов, имеющих по четыре периферийных электрона, устанавливает валентные связи с тремя соседними атомами. Но четвертый атом тоже хочет быть с ним в связи, чтобы сохранить нормальную структуру кристалла. Поэтому он всячески стремится направить к нему один из своих периферийных электронов. Теперь он становится положительным, так как отсутствие этого электрона образует дырку, пустоту. И он стремится заполнить ее, притягивая электрон от другого соседнего атома (рис. 119).

Рис. 119. В положительном полупроводнике дырка примесного трехвалентного атома заполнена электроном, пришедшим с отрицательной стороны. Это вновь создает дырку, которая в свою очередь заполняется электроном, приходящим с соседнего атома, и т. д. На рисунке показаны последовательные фазы этого перемещения электронов, которые направляются к положительному полюсу, и дырки (представляющие собой положительный заряд), которые перемещаются к отрицательному полюсу.

Необходимо отметить, что все эти перемещения электронов происходят при приложении к полупроводнику разности потенциалов. В этот момент дырка в трехвалентном атоме заполняется электроном, пришедшим со стороны, в которой проложен отрицательный потенциал. В результате электрон приблизился к положительному концу полупроводника. Но в это же время дырка образовалась в соседнем атоме, расположенном ближе к отрицательному концу полупроводника. С этой стороны приходит другой электрон заполнить новую дырку, что приведет к возникновению дырки еще ближе к отрицательному концу полупроводника, и т. д.

Как видишь, благодаря трехвалентным примесям дырки, т. е. положительные заряды, перемещаются от положительного полюса к отрицательному, тогда как электроны движутся в обратном направлении. Такой полупроводник относится к типу р (положительному), а явление, столь же парадоксальное, как и в полупроводнике типа n, заключается в том, что атомы примеси становятся отрицательными, когда дополнительный электрон занимает место на их внешней оболочке. Эти атомы в отличие от доноров пятивалентных примесей называются акцепторами.

n-р переход

Посмотрим теперь, что произойдет, если плотно соединить два полупроводника противоположных типов (рис. 120). Изменит ли образовавшийся n-р переход распределение зарядов внутри каждого из соединенных таким образом полупроводников?

Рис. 120. Переход между полупроводниками типов n и р. Внимание привлекает возросшая плотность ионизированных атомов вблизи перехода. Они отталкивают дырки и электроны.

Ты догадываешься, что атомы-доноры зоны n, ионизированные положительно, притянут атомы-акцепторы зоны р, ионизированные отрицательно. В результате по обе стороны перехода увеличится плотность ионизированных атомов. Но если заряды противоположной полярности притягиваются, то заряды одинаковой полярности отталкиваются. Следовательно, положительные ионы, которые сгруппировались около перехода в зоне n, оттолкнут положительные дырки зоны р. Что же касается отрицательно ионизированных атомов, то, сгруппировавшись у перехода в зоне р, они оттолкнут свободные электроны в зоне n.

Итак, соединение двух полупроводников противоположных типов вызвало в каждом из них перемещение свободных электронов, не изменив при этом общего заряда, который остается равным нулю. В самом деле, как в полупроводнике n, так и в полупроводнике р положительные заряды имеют такую же величину, как и отрицательные.

Напряжение обратной полярности

А теперь приложим к полупроводниковому n-р переходу напряжение, подключив положительный полюс источника к зоне n, а отрицательный полюс — к зоне р (рис. 121). Что же произойдет?