§ 72 Контакт полупроводников с различным типом проводимости.

Контакт полупроводников с дырочной и электронной проводимостью называется р-n переходом и имеет большое практическое значение, так как лежит в основе работы всех полупроводниковых приборов.

Получить p-n переход механическим соединением двух полупроводников нельзя. Обычно области различной проводимости создаются либо в процессе выращивания кристаллов, либо при их соответствующей обработке. Например, на кристалл германия с донорной примесью накладывается индиевая «таблетка» и система нагревается до 500⁰С в вакууме или в атмосфере инертного газа, что индуцирует диффузию атомов индия в германий (рис.207).При последующем медленном охлаждении образуется p-n переход.

РИС.207 РИС.208 РИС.209 РИС.210

С классической точки зрения образование p-n перехода происходит в результате диффузии электронов и дырок и их рекомбинации. Вследствие этого в области контакта концентрация электронов и дырок снижается, и «проявляются» объемные заряды, создаваемые ионами донорных и акцепторных атомов (рис.208).

Эти объемные заряды образуют в области контакта двойной электрический слой порядка 1мкм, поле которого (поле p-n перехода), направленное от n-области к р-области препятствует дальнейшей диффузии основных носителей.

Пусть А_n, А_р, E_Fn, E_Fp - работы выхода и энергии Ферми для полупроводника n-типа и р-типа, соответственно. Согласно зонной теории в области контакта происходит переход электронов с более высоких энергетических уровней на более низкие до тех пор, пока заполненные уровни в обоих полупроводниках не сравняются.

Следовательно, в области контакта энергетические уровни искривляются, в результате чего возникают потенциальные энергетические барьеры, как для электронов, так и для дырок. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного проводника, причем подъем происходит по всей области p-n перехода, а контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольт.

Если направление приложенного электрического поля совпадает с полем p-n перехода, то основные носители двигаются от границы и сопротивление запирающего слоя растет. Направление внешнего электрического поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим или обратным, так как в этом случае ток обеспечивается только движением не основных носителей и очень мал (рис.211).

Если направление внешнего поля противоположно контактному полю, то через контакт двигаются основные носители, и такое поле называется пропускным или прямым (рис.212). Вольтамперная характеристика p-n перехода представлена на рис.213.

Односторонняя (вентильная) проводимость p-n - перехода используется для выпрямления и преобразования переменных токов в диодах, а также в триодах, которые используются в качестве усилителей и генераторов электрических колебаний. P-n переход может создаваться не только в слое с некоторой поверхностью, но и в очень малом объеме, как, например, в точечном германиевом диоде (рис.214).

РИС.211 РИС.212 РИС.213 РИС.214

Для создания p-n перехода тонкая вольфрамовая проволока 1 прижимается к n-германию 2 острием, покрытым алюминием. При пропускании в прямом направлении импульса тока происходит диффузия ионов Al в Ge и образуется р-германий. Малая емкость контактной области позволяет использовать такие диоды в качестве детекторов (выпрямителей) высокочастотных колебаний вплоть до сантиметрового диапазона длин волн.