Электронно-дырочный переход

Область монокристаллического полупроводника, в которой происходит смена проводимости с электронной на дырочную называется электронно-дырочный переходом(илир-n–переходом). Такой переход образуетсяв единомполупроводниковом кристалле, одна часть которого легирована акцепторный примесью (p-область), а другая донорной (n-область).

На рис. приведено распределение концентрации примесей в областир-n–перехода.

На границе раздела p- иn- областей образуются большие градиенты концентраций электронов и дырок и возникают встречные диффузионные потоки:

• электронов из n- вp-область,

• дырок – из p-области вn-область.

В пограничной области электроны рекомбинируют с дырками. В результате остаются электрически нескомпенсированными заряженные ионы акцепторной и донорной примеси^(рис. ).

На рис. обозначены:

- доноры, - акцепторы,

- электроны, - дырки. Неосновные носители заряда не показаны.

Создаются области неподвижных объёмных зарядов_р и _n , и возникает контактное (диффузионное) электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен от n- к р-области. Это поле препятствует переходу основных носителей через контакт. Для неосновных носителей оно является ускоряющим. Область = _р +_n обеднена носителями тока и обладает большим электрическим сопротивлением. Она и является р-n–переходом.

Контактное) электрическое полеприводит к изгибу энергетических зон полупроводника в областир-n–перехода (рис.). Уровень Ферми устанавливается (при отсутствии внешнего поля) на одинаковой высоте вp-иn-областях. Для основных носителей возникает потенциальный барьер, высотой(- заряд электрона,- контактная разность потенциалов).

Получим выражение для вольт-амперной характеристики р-n–перехода.

1. Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение на р-n –переход не подаётся.

В условиях равновесия через р-n–переход проходят только те основные носители, энергия которых больше высоты потенциального барьера. Поток основных носителей представляет собой диффузионный ток I_дифф . Одновременно черезр-n–переход под действием ускоряющего контактного полядвижутся неосновные носители. Они создают дрейфовый токI_др. Эти токи направлены противоположно друг другу:I_дифф  I_др.При равновесии они равны по величине:I_дифф = I_др= I₀ . Общий ток через р-n–переход равен нулю:I= I_дифф - I_др= 0.

2.Пусть к р-области присоединён положительный полюс источника тока, а к n-области – отрицательный (рис. ).

Тогда внешнее электрическое поле будет направлено противоположно внутреннему контактному полю. Высота потенциального барьера уменьшится на величину , где- внешнее напряжение. Диффузионный ток (ток основных носителей) увеличится и станет равным:

. ()

Ток неосновных носителей (ток дрейфа ) останется без изменения. Суммарный ток черезр-n–переход равен:

или . ()

Такое включение р-n–перехода называетсяпрямым. При прямом включении ширина области объёмного заряда уменьшается. Сопротивление перехода мало и уменьшается и с ростом приложенного напряжения.

3.Пусть к р-области присоединён отрицательный полюс источника тока, а к n-области – положительный(рис. ).

Тогда внешнее электрическое поле будет совпадать по направлению с внутренним контактным полем. Высота потенциального барьера увеличится на величину, где- модуль внешнего напряжения. Диффузионный ток (ток основных носителей) уменьшится и станет равным:

. ()

Ток неосновных носителей (ток дрейфа ) останется без изменения. Суммарный ток черезр-n–переход равен:

или . ()

Такое включение р-n–перехода называетсяобратным. При обратном включении ширина области объёмного заряда увеличивается. Сопротивление перехода велико и увеличивается с ростом приложенного напряжения.

При достаточно больших обратных напряжениях (В) , тогда . Это означает, что че резр-n–переход течёт только очень малый дрейфовый ток неосновных носителей; его называютобратным током.

Уравнение вольтамперной характеристики р-n–перехода имеет вид:

. ()

В этом выражении:

• - напряжение, подаваемое нар-n–переход.при прямом включении;при обратном включении.

• - значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.

На рисунке приведена вольт-амперная характеристика р-n–перехода.

При прямом включении p-n-перехода ток очень быстро возрастает с увеличением приложенного напряжения (экспоненциальная зависимость, участок 1).

При подаче обратного напряжения ток сначала увеличивается с увеличением напряжения. Но уже при небольшом напряжении все неосновные носители, образующиеся на расстоянии меньшем их диффузионной длины будут втягиваться в переход, и дальнейшее увеличение обратного напряжения не вызовет роста обратного тока: наступает насыщение(участок 2). Обратный ток при этом равен .

При очень больших обратных напряжениях наступаетпробой перехода, ток резко возрастает (участок 3). Участок пробоя уравнением () не описывается.

Из вышеизложенного следует, что р-n–переход обладает свойствомодносторонней проводимости: имеет очень малое сопротивление при прямом включении и очень большое сопротивление при обратном включении. Это свойство позволяет использоватьр-n–переход для выпрямления переменного тока. Полупроводниковые приборы с однимр-n–переходом называютсядиодами.

Участок пробоя вольт-амперной характеристики используется для стабилизации постоянного напряжения. Диоды, предназначенные для стабилизации напряжения, называются стабилитронами. В приборах, называемыхварикапами, используется барьерная ёмкостьp-n-перехода. Управление ёмкостью варикапа осуществляется путём изменения напряжения.

Контрольные вопросы

1. В чём состоит смысл понятия: p-n-переход?

2. Какие заряды создают контактное электрическое поле в области p-n-перехода?

3. В p-n-переходе существует электрическое поле. Объясните, почему при отсутствии внешнего источника напряжения в цепи не идёт ток?

4. Какое включение p-n-перехода называют прямым, а какое обратным?

5. Почему сопротивление p-n-перехода, включённого в прямом направлении, намного меньше сопротивления того же перехода, включённого в обратном направлении?

6. Влияет ли температура на величину тока насыщения, а если влияет, то как?

7. Назовите полупроводниковые приборы с одним p-n-переходом. Для чего они используются?