Определение

Электронно-дырочным (или кратко, p-n) переходом называется электрический переход между двумя тесно контактируемыми областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая – p-типа.

Электронная электропроводность n-типа (от слова negative – отрицательный) и дырочная p-типа (от слова positive – положительный) обусловлены двумя носителями заряда: соответственно электронами и дырками.

Носители заряда в полупроводнике. В теории полупроводников под дыркой понимается носитель положительного заряда, эквивалентный по величине отрицательному заряду электрона ( ). Как будет показано ниже, под действием электрического поля, тепловой или лучистой энергии ковалентная связь, определяющая прочную кристаллическую структуру полупроводника за счет валентных электронов атомов, разрывается, освобождая электроны. Высвобожденный электрон перемещается по кристаллу, создавая ток проводимости. Этот электрон может присоединиться к валентным электронам соседнего атома, в результате чего местоположение отсутствующего электрона (вакансия) перемещается от одного атома к другому. При этом оказывается удобным мысленно следить не за движением электронов, а за перемещением вакансий. Такую вакансию, т. е. место отсутствия электрона в кристаллической решетке полупроводника, называют дыркой. Заряд дырки положительный, вследствие чего она, будучи помещена во внешнее электрическое поле, движется в сторону, противоположную направлению движения электрона и ее можно рассматривать как некоторую частицу, аналогичную электрону, но с зарядом противоположного знака [1].

Таким образом, электрический ток в полупроводнике создается одновременно движением двух носителей заряда – электронов и дырок.

1.1.1. Энергетические зоны и физические основы собственной электропроводности полупроводников

Современные представления о физических процессах в полупроводниковых приборах и, в частности, в p-n переходе базируются на общепринятых моделях межатомной ковалентной связи и энергетических зон в кристалле твердого тела, т. е. на квантово – механических моделях, лежащих в основе известной в физике зонной теории твердого тела. Согласно этой теории, разработанной в 1928 году американским физиком Ф. Блохом и в 1930 году французским физиком Бриллюэном, электроны в атоме кристаллической решетки, играющие основную роль в процессе объединения атомов в кристалл, не могут распределяться хаотически и иметь произвольные значения энергии W. Они распределены по так называемым дискретным разрешенным уровням и в силу принципа Паули (австрийский физик – 1900 – 1958) не скапливаются на каком то одном уровне, а группируются в отдельные зоны – полосы энергий, разделенные зонами запрещенных состояний.

В теории электропроводности полупроводников обычно ограничиваются рассмотрением лишь так называемых валентных электронов, расположенных на внешних (валентных) оболочках атомов, так как только они слабо связаны с ядром, легче вступают во взаимодействие с другими атомами и, отрываясь от них, обусловливают электропроводность тела. В соответствии с этим в простейшем случае в энергетическом спектре твердого тела принято выделять три энергетические зоны: валентную, запрещенную и зону проводимости (рис. 1).

Рис. 1. Зонная модель полупроводника

В нижней валентной зоне (ВЗ) электроны прочно связаны с атомами упомянутой выше ковалентной связью. В собственном (химически чистом) полупроводнике при абсолютном нуле все уровни полностью заполнены электронами, которые обобществлены и сгруппированы по уровням в виде сплошных полос или т.н. зон шириной ≈ 1эВ и расщепленных подуровней с шириной ≈ 10^-23эВ, причем согласно принципу Паули на каждом уровне может находиться не более двух электронов. К примеру, в одном грамме чистых полупроводниковых материалов германия (Ge–32) или кремния (Si–14) с четырьмя валентными электронами в их ковалентной связи содержится около 10²³ валентных электронов и примерно такое же по порядку величины число уровней валентной зоны при известном соотношении, что 32 г Ge и 14 г Si (грамм – атом вещества) содержит число атомов, равное числу Авогадро [3].

В верхней, так называемой зоне проводимости (ЗП), подавляющее число электронов фактически оторвано от атомов, и они считаются свободными. Передвигаясь внутри твердого тела и взаимодействуя с атомами кристаллической решетки, они легко переходят на более высокие уровни и так же группируются по энергетическим уровням.

Однако при температуре абсолютного нуля никаких электронов в этой зоне нет, так как в этих условиях даже внешнее электрическое поле не в состоянии перебросить в зону проводимости из валентной зоны прочно связанные ковалентной связью валентные электроны и сделать их свободными.

Напротив, при за счет теплового возбуждения часть валентных связей разрывается и электроны из ВЗ переходят в ЗП, где они становятся свободными носителями заряда и обусловливают собственную электропроводность (рис. 1, б).

В валентной зоне при этом за счет освобожденных электронами вакантных мест образуются дырки проводимости, которые, как было отмечено выше, также перемещаются по кристаллу. Этот процесс называется термо или тепловой генерацией носителей заряда [2].

Однако одновременно имеет место и противоположный процесс – рекомбинация электрона с дыркой, когда свободный электрон проводимости возвращается в незаполненную валентную связь валентной зоны, т. е. в этом случае исчезает свободный электрон и дырка.

Зоны проводимости и валентная отделены запрещенной зоной (ЗЗ) – рис. 1, в которой отсутствуют все носители зарядов (энергетическая щель). Физический смысл ЗЗ состоит в том, что ее ширина есть энергия, необходимая для переброса электрона из ВЗ в ЗП:

(1)

В формуле (1) – минимальная энергия дна зоны проводимости, эВ; – максимальная энергия потолка валентной зоны, эВ.

В соответствии с этим, ширина ЗЗ при абсолютной нулевой температуре является основополагающим критерием в классификации электротехнических материалов по электропроводящим свойствам [4]. Так у металлов ВЗ и ЗП часто взаимно перекрываются, поэтому при металл электропроводен (рис. 2, а).

Рис. 2. Энергетические диаграммы металлов (а), полупроводников (б) и диэлектриков (в)

При этом в металле электроны свободны и могут легко переходить с уровней заполненной вакантной зоны на незанятые уровни зоны проводимости под влиянием даже слабой напряженности приложенного к проводнику электрического поля. Электропроводность металлов характеризуется величиной электронной проводимости или удельным сопротивлением .

Ширина ЗЗ у полупроводников составляет , т.е. достаточно узка, поэтому при некоторой температуре, отличной от нуля, часть валентных электронов за счет упомянутого теплового возбуждения приобретает дополнительную энергию, достаточную для разрыва ковалентной связи и перехода в зону проводимости, где они становятся свободными, а полупроводник – электропроводным (рис. 2,б). В чистых (собственных) полупроводниках ширина ЗЗ составляет – для германия (Ge–32) или , для кремния (Si–14) или .Удельное сопротивление полупроводников находится в пределах .

Диэлектриками являются материалы, у которых запрещенная зона настолько велика, что электронная электропроводность в обычных условиях не наблюдается. Ширина ЗЗ диэлектриков , а электропроводность составляет величину , т.е. чрезвычайно мала. Как было упомянуто ранее, тепловое движение атомов, а также внешнее электрическое поле в обычных условиях не в состоянии сообщить электрону энергию для переброса электронов из ВЗ в ЗП. Эта энергия должна быть не менее чем ширина запрещенной зоны [5].

Напомним, что 1эВ есть величина энергии, обусловливающая ширину энергетических состояний (полос, уровней и т. д.) в твердом теле, которая приобретается или теряется электроном при его перемещении между двумя точками электрического поля, потенциалы которых различаются на 1эВ. Энергия 1эВ = 1,6·10^-19Дж, а 1Дж = 6,24·10¹⁸эВ.

На рис. 1 отмечен также уровень Ферми , характеризующий величину энергии электронов с вероятностью заполнения этого уровня, равную 0,5 при отличной от абсолютного нуля температуре.

В зонной теории твердого тела этот уровень, называемый также электрохимическим (иногда химическим) потенциалом, имеет важнейшее значение, поскольку, являясь функцией концентрации носителей заряда, определяет в итоге вероятность преодоления электронами запрещенной зоны и степень электропроводности полупроводника в целом [6]. Как видно из рис. 1, в собственном полупроводнике находится в середине ЗЗ. Это легко понять, если учесть, что процесс активации (переброс) электронов из ВЗ в ЗП требует величину энергии, равную ширине запрещенной зоны, одна половина которой затрачивается на переброс электронов, а другая – на образование в ВЗ такого же числа дырок. Таким образом, энергия должна делиться на две равные части, а начало отсчета для этих процессов должно находиться в середине ЗЗ. Поэтому уровень Ферми можно трактовать как энергию, от которой происходит процесс возбуждения электронов и дырок и которая является средней энергией, приходящейся на каждый из носителей заряда [7].