Многие вещества в кристал­лическом состоянии не являются такими хорошими проводниками электрического тока, как метал­лы, но не могут быть отнесены и к диэлектрикам, так как не яв­ляются хорошими изоляторами.

Такие вещества долгое время не привлекали особого внимания ученых и инженеров.

Одним из первых начал систе­матические исследования физи­ческих свойств таких веществ, называемых сегодня полупроводниками, выдающийся советский физик Абрам Федорович Иоффе.

Полупроводники оказались не просто «плохими проводниками», а особым классом кристаллов со многими замечательными физи­ческими свойствами, отличающи­ми их как от металлов, так и от диэлектриков.

Если у металлов с повыше­нием температуры удельное соп­ротивление увеличивается, то у полупроводников уменьшается. Уменьшается удельное сопротив­ление полупроводниковых крис­таллов и при освещении.

Но самым удивительным свойством полупроводников оказалось свойство односторонней проводимости контакта двух полупроводниковых кристаллов различного типа.

Донорные и акцепторные примеси. Свойства полупроводников сильно зависят от содержания примесей. Примеси бывают двух типов – донорные и акцепторные. Если, например, в кристалле кремния имеется примесь атомов мышьяка, то эти атомы замещают в узлах кристаллической решетки атомы кремния. Пятивалентный атом мышьяка вступает в ковалентные связи с четырьмя атомами кремния, а его пятый электрон оказывается незанятым в связях.

Энергия, необходимая для разрыва связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка в кристалле кремния, мала. Поэтому при комнатной температуре почти все атомы мышьяка лишаются одного из своих элек­тронов и становятся положительными ионами.

Положительный ион мышьяка не может захватить электрон у одного из соседних атомов кремния, так как энергия связи электронов с атомами кремния значительно превышает энергию связи пятого валентного электрона с атомом мышьяка. Поэтому эстафетного перемещения электронной вакансии не проис­ходит, дырочной проводимости нет. Примеси, поставляющие электроны проводимости без возникновения такого же числа дырок, называются донорными.

В полупроводниковом кристалле, содержащем донорные примеси, электроны являются основными, но не единственными носителями тока, так как небольшая часть собственных атомов полупроводникового кристалла ионизована и часть тока осуществляется дырками. Полупроводниковые материалы, в которых электроны служат основными носителями заряда, а дырки – неосновными, называются электронными полупроводниками или полупроводниками n-типа.

Если в кристалле кремния часть атомов замещена атомами трехвалентного элемента, например индия, то атом индия может осуществлять связь только с тремя соседними атомами, а связь с четвертым атомом осуществляется лишь одним электроном. При этих условиях атом индия захватывает электрон у одного из соседних атомов кремния и становится отрицательным ионом. Захват электрона от одного из атомов кремния приводит к возникновению дырки. Примеси, захватывающие электроны и создающие тем самым подвижные дырки, не увеличивая при этом число электронов проводимости, называют акцепторными.

При низких температурах основными носителями тока в полупроводниковом кристалле с акцепторной примесью являются дырки, а неосновными носителями – электроны. Полупроводники, в которых концентрация дырок превышает концентрацию электронов проводимости, называют дырочными полупроводниками или полупроводниками p-типа.

Полупроводниковые материалы n- и p-типа широко используются при изготовлении полупроводниковых приборов.

Свойства p – n-перехода. Для создания р - n-перехода в кристалле с электронной проводимостью нужно создать область с дырочной проводимостью или в кристалле с дырочной проводимостью – область с электронной проводимостью.

Такая область создается введением примеси в процессе выращивания кристалла или введением атомов примеси в готовый кристалл. Через границу, разделяющую области кристалла с различными типами проводимости, происходит диффузия электронов и дырок.

Диффузия электронов из n-полупроводника в р-полупроводник приводит к появлению в электронном проводнике нескомпенсированных положительных ионов донорной примеси, в дырочном полупроводнике рекомбинация электронов с дырками приводит к появлению нескомпенсированных зарядов отрицательных ионов акцепторной примеси. Между двумя слоями объемного заряда возникает электрическое поле. По мере накопления объемного заряда напряженность поля возрастает, и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из n-полупроводника в p-полупроводник или дырок из p-полупроводника в n-полупроводник. Электронно-дырочный переход, или сокращенно p – n-переход, является границей, разделяющей области с дырочной (p) и электронной (n) проводимостями в одном монокристалле.

Пограничная область раздела полупроводников с различным типом проводимости в связи с уходом свободных электронов и дырок практически превращается в диэлектрик.

Между областями с различным типом проводимости объемные заряды ионов создают напряжение U_K; его значение для германиевых р – n-переходов равно примерно 0,35 В; для кремниевых – около 0,6 В.

Если к p – n-переходу приложено напряжение знаком плюс на область с электронной проводимостью, то электроны в n- полупроводнике и дырки в p-полупроводнике удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление p – n-перехода велико, сила тока мала и практически не зависит от напряжения. Этот способ включения диода называется включением в запирающем или в обратном направлении. Обратный ток полупроводникового диода обусловлен собственной проводимостью полупроводниковых материалов, из которых изготовлен диод, т. е. наличием небольшой концентрации свободных электронов в p-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике.

Если к p – n-переходу приложено напряжение знаком плюс на область с дырочной проводимостью и знаком минус на область с электронной проводимостью, то переходы основных носителей через p – n-переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его удельное сопротивление. Сила тока через диод в этом случае при напряжениях, превышающих U_K, ограничивается лишь сопротивлением внешней электрической цепи. Этот способ включения диода называется включением в пропускном или в прямом направлении.

Способность p – n-перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать его в противоположном направлении используется в приборах, называемых полупроводниковыми диодами, для преобразования переменного тока в постоянный, а точнее в пульсирующий, ток.

Достоинством полупроводникового диода являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия, а недостатком – зависимость их параметров от температуры.