3. Электрические переходы.

Электрическим переходом называется слой между областями твердого тела с разными типами или значениями проводимости:

• полупроводниками n- и p-типа;

• металлом и полупроводником;

• диэлектриком и полупроводником и т. д.

Переход типа p-n называется электронно-дырочным. Он создается в кристалле полупроводника путем введения примеси (диффузия, ионное легирование, вплавление) или наращиванием слоев (эпитаксия) на подложку. Если слои являются разнородными полупроводниками с различной шириной запрещенной зоны, то формируется гетеропереход. Если слои одного типа проводимости, но с разной концентрацией примесей, то получается электронно-электронный (n⁺-n) и дырочно-дырочный (p⁺-p) переходы. (“+” обозначает повышенную концентрацию).

Прямое включение р-n перехода к Р подключается к + а N к -, n-катод, р-анод. При прямом включении суммарное поле перехода Е= -Ез.+Евн. Уменьшается, а барьер становится ниже и уже до полного исчезновения и р-n переход считается открытым. При обратном включении внутреннее поле усиливает, барьер становится шире и выше и ток через барьер не идет р-n переход заперт. Свойства р-n перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом - вентильное свойство.

4. Идеализированный р-n переход. (Не все взято из лекций)

Идеализированный p-n переход для созданной теории показан на рис.1.

 

 

  

Рис. 1. Зонная диаграмма p-n перехода.

Потенциалы  _p и  _p определяют через концентрации носителей, потенциал Ферми и температурный потенциал

 

( 2),

где k – константа Больцмана,

Т- абсолютная температура,

q- заряд электрона.

Потенциал Ферми представляет сумму градиентов электрического и химического потенциалов, поэтому в отсутствии движения носителей он представляет собой постоянную величину.

Контактную разность потенциалов

 

( 3)

принято считать результатом диффузии носителей через переход.

Место стыка полупроводников р и n имеет определенную толщину  , называемую шириной перехода. Ширина перехода в существующей теории является многосвязанной функцией различных параметров

 

( 4).

Опуская промежуточные выкладки, приведем результирующую зависимость для тока перехода, являющуюся основным уравнением современной физики полупроводников

 

( 5),

где U –напряжение, приложенное к переходу.

Множитель  в этом уравнении масштабирует значение тока и является определяющим параметром. Его называют тепловым током, поскольку ток (5) перехода сильно зависит от температуры. Другое название – обратный ток насыщения – обусловлено его стабильностью в области больших обратных напряжений.

Идеальная ВАХ не учитывает структуру полупроводника.

Реальные p-n-переходы являются, как правило, несимметричными. При этом

концентрация примеси в одной области превышает концентрацию примеси в другой. Область с

большей концентрацией называется эмиттером, с меньшей – базой. Меньшая концентрация

примесей означает меньшую электропроводность и большее удельное сопротивление. Поэтому

в реальных p-n-переходах пренебрегать удельным сопротивлением базы нельзя.

Вторым отличием реального p-n-перехода от идеализированного является наличие в

обедненном слое процессов генерации и рекомбинации носителей заряда. Поэтому при

обратном включении ток через переход не постоянен, а зависит от приложенного к переходу

напряжения

Третье отличие заключается в присутствии явления пробоя при обратном включении p-n-перехода. При возрастании обратного напряжения до некоторого значения р-n переход проводит ток крайне слабо, а после наблюдается явление пробоя.

5. Вентильные свойства p-n перехода. ( Не из лекций)

Свойства р-n перехода пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом - вентильное свойство.

p-n-переход, обладает свойством изменять свое электрическое сопротивление в зависимости от направления протекающего через него тока. Это свойство называется вентильным, а прибор, обладающий таким свойством, называется электрическим вентилем.

Рассмотрим p-n-переход, к которому подключен внешний источник напряжения   с полярностью, указанной на рис. 1.15 – «+» к области p-типа, «–» к области n-типа. Такое подключение называют прямым включением p-n-перехода (или прямым смещением p-n-перехода). Тогда напряженность электрического поля внешнего источника   будет направлена навстречу напряженности поля потенциального барьера   и, следовательно, приведет к снижению результирующей напряженности 

.

(1.14)

Это приведет, в свою очередь, к снижению высоты потенциального барьера и увеличению количества основных носителей, диффундирующих через границу раздела в соседнюю область, которые образуют так называемый прямой ток p-n-перехода. При этом вследствие уменьшения тормозящего, отталкивающего действия поля потенциального барьера на основные носители, ширина запирающего слоя уменьшается и соответственно уменьшается его сопротивление.

Рис. 1.15. Прямое смещение p-n-перехода

По мере увеличения внешнего напряжения прямой ток p-n-перехода возрастает. Основные носители после перехода границы раздела становятся неосновными в противоположной области полупроводника и, углубившись в нее, рекомбинируют с основными носителями этой области, но, пока подключен внешний источник, ток через переход поддерживается непрерывным поступлением электронов из внешней цепи в n-область и уходом их из p-области во внешнюю цепь, благодаря чему восстанавливается концентрация дырок в p-области.

Введение носителей заряда через p-n-переход при понижении высоты потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители являются неосновными, называют инжекцией носителей заряда.

При протекании прямого тока из дырочной области р в электронную область n инжектируются дырки, а из электронной области, в дырочную – электроны.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называют эмиттером, слой в который происходит инжекция неосновных для него носителей заряда – базой.

На рис. 1.16 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая прямому смещению p-n-перехода.

Рис. 1.16. Зонная диаграмма прямого смещения p-n-перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

Если к р-n-переходу подключить внешний источник с противоположной полярностью «–» к области p-типа, «+» к области n-типа (рис. 1.17), то такое подключение называют обратным включением p-n-перехода (или обратным смещением p-n-перехода).

Рис. 1.17. Обратное смещение p-n-перехода

В данном случае напряженность электрического поля этого источника   будет направлена в ту же сторону, что и напряженность электрического поля  потенциального барьера; высота потенциального барьера возрастает, а ток диффузии основных носителей практически становится равным нулю. Из-за усиления тормозящего, отталкивающего действия суммарного электрического поля на основные носители заряда ширина запирающего слоя   увеличивается  , а его сопротивление резко возрастает.

Теперь через р-n-переход будет протекать очень маленький ток, обусловленный перебросом суммарным электрическим полем на границе раздела, неосновных носителей, возникающих под действием различных ионизирующих факторов, в основном теплового характера. Процесс переброса неосновных носителей заряда называется экстракцией. Этот ток имеет дрейфовую природу и называется обратным током р-n-перехода.

На рис. 1.18 изображена зонная энергетическая диаграмма, соответствующая обратному смещению p-n-перехода.

Рис. 1.18. Зонная диаграмма обратного смещения p-n-перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов

Выводы:

1. p-n-переход образуется на границе p- и n-областей, созданных в монокристалле полупроводника.

2. В результате диффузии в p-n-переходе возникает электрическое поле – потенциальный барьер, препятствующий выравниванию концентраций основных носителей заряда в соседних областях.

3. При отсутствии внешнего напряжения   в p-n-переходе устанавливается динамическое равновесие: диффузионный ток становится равным по величине дрейфовому току, образованному неосновными носителями заряда, в результате чего ток через p-n-переход становится равным нулю.

4. При прямом смещении p-n-перехода потенциальный барьер понижается и через переход протекает относительно большой диффузионный ток.

5. При обратном смещении p-n-перехода потенциальный барьер повышается, диффузионный ток уменьшается до нуля и через переход протекает малый по величине дрейфовый ток. Это говорит о том, что p-n-переход обладает односторонней проводимостью. Данное свойство широко используется для выпрямления переменных токов.

6. Ширина p-n-перехода зависит: от концентраций примеси в p- и n-областях, от знака и величины приложенного внешнего напряжения  . При увеличении концентрации примесей ширина p-n-перехода уменьшается и наоборот. С увеличением прямого напряжения ширина p-n-перехода уменьшается. При увеличении обратного напряжения ширина p-n-перехода увеличивается.