2. Электронно-дырочный переход

Электрическим переходом называют переходной слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами или величинами удельной электропроводности.

Виды переходов. Переходной слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость p-типа, а другая – n-типа, называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

Существуют и другие виды электрических переходов:

• электронно-электронный

• дырочно-дырочный

• между примесным и чистым полупроводниками

• полупроводником и металлом

• диэлектриком и полупроводником и т.д.

Следует заметить, что электрический переход нельзя создать путем механического контакта двух кристаллов полупроводника, так как поверхности таких кристаллов загрязнены атомами других веществ, окислами полупроводника и т.п. Для изготовления переходов используются различные технологические методы, например, легирование части кристалла n-полупроводника акцепторными примесями путем их диффузии из газообразной или жидкой среды, содержащей атомы нужной примеси (диффузионный переход). Используют также метод вплавления в полупроводник металла или сплава, содержащего акцепторные или донорные примеси (сплавной переход), и др.

Рис. 7. Равновесное состояние p-n перехода

Равновесное состояние p-n перехода. Рассмотрим полупроводник, одна часть которого имеет проводимость p-типа, а другая - n-типа. Будем считать, что концентрации акцепторной и донорной примесей равны (такой переход называется симметричным). В p-области концентрация дырок, как основных носителей, выше, чем в n-области. Аналогично концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области.

Такое распределение концентрации одноименных носителей заряда в кристалле вызывает диффузию дырок из p-области в n-область, а электронов - из n-области в p-область (т.е. возникает диффузионный ток через границу раздела областей).

Общий диффузионный ток направлен сторону движения дырок и равен сумме электронного и дырочного токов:

Iдиф = Ipдиф + Inдиф.

(5)

В результате в прилегающем к границе p-области возникает нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцептора, а со стороны n-области – положительных ионов донора.

Диффузия основных носителей приводит к образованию на границе n- и p-областей объемного заряда в виде двойного электрического слоя, образованного ионами акцептора и донора.

Электроны и дырки же при переходе в другую область быстро рекомбинируют с основными носителями.

Двойной электрический слой обеднен подвижными носителями заряда и поэтому обладает повышенным сопротивлением (его еще называют запорным слоем).

Заряд отрицательных ионов акцептора понижает потенциал p-области до значения p, а положительных донора – повышает потенциал n-области до +n. Изменение потенциала от p до +n происходит только в пределах ширины запорного слоя .

Разность потенциалов _k = +_n – (_p) = _n + _p называется диффузионным потенциалом или контактной разностью потенциалов.

Между зарядами запорного слоя возникает контактное (внутреннее) или диффузионное электрическое поле напряженностью E_i = _k / , направленное от положительных зарядов к отрицательным.

П

! За пределами запорного слоя обе части полупроводника остаются электрически нейтральными.

оле E_i является тормозящим для основных носителей заряда. По этой причине не происходит полного выравнивания концентраций носителей в p- и n-областях.

Возникающий на границе раздела p- и n-областей запорный слой с присущим ему потенциальным барьером W_б =e _k по существу и является p-n переходом.

Для неосновных носителей поле E_i является ускоряющим. Они, попадая в пределы этого поля, свободно переходят в противоположные области, образуя ток дрейфа, направленный навстречу диффузионному. Этот процесс называется экстракцией носителей.

Плотность дрейфового тока легко определить из (2)

.

(6)

В конечном итоге наступает динамическое равновесие I_p-n = I_диф + I_др = 0.

П

Когда источник внешнего напряжения подключен плюсовым выводом к p-области, а минусовым выводом к n-области, то такое включение p-n перехода в электрическую цепь называется прямым.

В случае противоположного включения – обратным.

рямое включение p-n перехода. Условия переноса зарядов через p-n переход существенно изменяются, если к нему приложено некоторое внешнее напряжение. электрическое поле.

Так как сопротивление p-n перехода значительно превышает сопротивление p- и n-областей, то внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, создавая внешнее электрическое поле Е_вн. При прямом включении внешнее поле направлено навстречу внутреннему E_i. Напряженность результирующего поля и потенциальный барьер уменьшаются до величины:

.

(8)

Основные носители притекают к p-n переходу, уменьшая их недостаток в приконтактных областях. Толщина перехода становится меньше и сопротивление его уменьшается.

Снижение потенциального барьера ведет к резкому увеличению диффузии основных носителей и, следовательно, росту тока диффузии I_диф.

Иначе говоря, при подключении к переходу прямого напряжения развивается диффузионное движение частиц через запирающий слой в ту область, где они являются неосновными носителями (дырок – в n-область и электронов в p-область. Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда.

Количество неосновных носителей, дрейфующих через p-n переход, при этом уменьшается и при U_пр  _k прекращается совсем. Однако концентрация неосновных носителей невелика, поэтому этот эффект заметного влияния на общий ток в цепи не оказывает.

Инжектированные носители диффундируют от p-n перехода вглубь областей и рекомбинируют с основными носителями по мере удаления от перехода.

Количество носителей уменьшается по мере удаления от перехода по экспоненциальному закону. Время, за которое концентрация инжектированных носителей уменьшается в e, называют временем жизни неосновных носителей, а расстояние L, которое они при этом проходят – диффузионной длиной.

, где D – коэффициент диффузии.

При U_вн> _k p-n переход фактически исчезает.

Таким образом .

Этот ток называется прямым, его направление совпадает с направлением движения дырок.

На энергетической диаграмме видно, что прямой ток образуется основными носителями:

• дырками, двигающимися из валентной зоны p-области в валентную зону n-области;

• электронами, двигающимися из зоны проводимости n-области в зону проводимости p-области.

Обратное включение p-n перехода. В этом случае внешнее напряжение U_обр создает электрическое поле Е_вн, совпадающее по направлению с диффузионным полем E_i, что приводит к росту потенциального барьера

Wб = е(k +Uобр).

(9)

Рис.8. Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

Ширина запирающего слоя и, как результат, его сопротивление увеличиваются. Возросший потенциальный барьер могут преодолеть лишь отдельные основные носители, имеющие достаточно большую энергию, то есть диффузионный ток стремиться к нулю.

Результирующее поле в p-n переходе для неосновных носителей будет ускоряющим и они свободно проходят через переход, образуя так называемый обратный ток I₀. Из-за малой концентрации неосновных носителей даже при увеличении обратного напряжения U_обр обратный ток I₀ практически не растет.

Зависимость величины тока через переход от приложенного напряжения отражает его вольт-амперная характеристика. Теоретически доказано, что в.а.х. p-n перехода описывается выражением:

(10)

Поскольку I_пр(10³…10⁵) I₀, то можно говорить о практически односторонней проводимости p-n перехода, что хорошо видно из вольт-амперной характеристики p-n перехода.