Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n-переход)

Во многих областях современной электроники большую роль играет контакт двух полупроводников с различными типами проводимости. Такой контакт называется электронно – дырочным или p-n-переходом.

Такие переходы используются не только для выпрямления переменных токов, но и для генерации и усиления высокочастотных токов.

П рактически p-n-переход представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. В p-области основными носителями тока являются дырки, образовавшиеся в результате захвата электронов атомами примеси; акцепторы при этом становятся отрицательными ионами (рис. 3.6; большие кружки – ионы, малые кружки – дырки, черные точки – электроны). Кроме того, в p-области имеется небольшое число неосновных носителей – электронов, возникающих вследствие перевода тепловым движением электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости. В n-области основные носители тока – электроны, отданные донорами в зону проводимости. Имеется и небольшое число неосновных носителей – дырок, возникающих вследствие перехода за счет теплового движения электронов из валентной зоны в зону проводимости.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому p-n-переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный отрицательными ионами акцепторной примеси и положительными ионами донорной примеси. Электрическое поле в этом слое направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми обеих областей располагаются на одинаковой высоте (рис. 3.7).

И згибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал p-области в состоянии равновесия ниже потенциала n-области, соответственно потенциальная энергия электрона в p-области больше, чем в n-области. Нижняя граница валентной зоны дает ход потенциальной энергии электрона в направлении, перпендикулярном к переходу (сплошная кривая на рис. 3.8 а). Заряд дырок противоположен заряду электронов, поэтому их потенциальная энергия больше там, где меньше (штриховая линия на рис. 3.8 а).

В состоянии равновесия некоторому количеству основных носителей удается преодолеть потенциальный барьер, вследствие чего через переход течет небольшой ток (рис. 3.8 а). Этот ток компенсируется обусловленным неосновными носителями встречным током . Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, «скатываясь» с потенциального бартера. Величина .определяется числом рождающихся ежесекундно неосновных носителей и от высоты потенциального барьера почти не зависит. Величина , напротив, сильно зависит от высоты барьера. Равновесие устанавливается при такой высоте барьера, при которой токи и компенсируют друг друга.

При подаче внешнего напряжения такого направления, чтобы плюс был подключен к p-области, а минус - к n-области, потенциал p-области возрастает, потенциал n-области понижается (рис. 3.8 б). В результате высота потенциального барьера уменьшится и ток возрастет, а ток не изменится. Следовательно, при понижении высоты барьера (оно пропорционально приложенному напряжению eU) ток основных носителей, а значит и результирующий ток, быстро нарастет. Таким образом, в направлении от p-области к n-области p-n-переход пропускает ток, сила которого быстро растет при увеличении приложенного напряжения. Это направление называется прямым (пропускным).

Н а рисунке 3.9 представлена ВАХ p-n-перехода. Возникающее в кристалле при прямом напряжении электрическое поле «поджимает» основные носители к границе между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, сокращается и соответственно уменьшается сопротивление перехода тем сильнее, чем больше приложенное напряжение. Поэтому ВАХ в пропускной области не является прямой (правая ветвь графика).

При подаче внешнего напряжения такого направления, чтобы плюс был подключен к n-области, а минус – к p-области, высота потенциального барьера увеличится и ток (рис. 3.8 в) уменьшится. Возникающий при этом результирующий ток (называемый обратным) быстро достигает насыщения (перестает зависеть от U) и становится равным . Таким образом, в направлении от n-области к p-области (называемом обратным или запорным) p-n-переход пропускает слабый ток, обусловленный только неосновными носителями. Лишь при очень большом обратном напряжении сила тока начинает резко возрастать вследствие электрического пробоя перехода (левая ветвь на рисунке 3.9). Из этого рисунка следует, что p-n-переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом. Возникающее в кристалле при обратном напряжении электрическое поле «оттягивает» основные носители от границы между областями, вследствие чего ширина переходного слоя, обедненного носителями, увеличивается и соответственно увеличивается сопротивление перехода.

Н еодинаковость сопротивления в прямом и обратном направлениях позволяет использовать p-n-переходы для выпрямления переменного тока. На рисунке 3.10 показан график тока, текущего через переход, в том случае, если приложенное напряжение меняется по гармоническому закону. В этом случае ширина слоя, обедненного носителями, и сопротивление перехода пульсируют, изменяясь в такт с изменениями напряжения.

В области p-n-перехода или на границе металла с полупроводником может наблюдаться вентильный фотоэффект. Он заключается в возникновении под действием света электродвижущей силы (фото-ЭДС). На рисунке 3.11 показан ход потенциальной энергии электронов (сплошная кривая) и дырок (штриховая кривая) в области p-n-перехода. Неосновные для данной области носители (электроны в p-области и дырки в n-области), возникшие под действием света, беспрепятственно проходят через переход. В результате в p-области накапливается избыточный положительный заряд, а в n-области – избыточный отрицательный заряд. Это приводит к возникновению приложенного к переходу напряжения, которое и представляет собой фотоэлектродвижущую силу. Если подключить кристалл с p-n-переходом к внешней нагрузке, в ней будет течь фототок. Несколько десятков соединенных последовательно кремниевых p-n-переходов образуют солнечную батарею. Такие батареи применяются для питания радиоаппаратуры на космических кораблях и спутниках Земли.