Контакт електронного і діркового напівпровідників (р-п-перехід)
1. Електронно-дірковий перехід (р-п-перехід)
Границя стикання двох напівпровідників, один з яких має електронну, а другий – діркову провідність, називається електронно-дірковим переходом (р-п-переходом). Ці переходи мають велике практичне значення, оскільки вони лежать в основі роботи багатьох напівпровідникових приладів.
Перехід не можна здійснити просто механічним з'єднанням двох напівпровідників: його створюють або при вирощуванні кристалів, або при їх відповідній обробці. Наприклад, для отримання р-п-переходу на кристал германіюп-типу накладається індієва "таблетка" (рис. 33.1, а). Ця система нагрівається приблизно при 500 °С у вакуумі або в атмосфері інертного газу; атоми індія дифундують на деяку глибину в германій. Потім розплав поволі охолоджують. Оскільки германій, що містить індій, має діркову провідність, то на границі розплаву, що закристалізувався, і германіюп-типу утворюєтьсяр-п-перехід(рис. 33.1, б).
Рис. 33.1
2. Фізичні процеси, що відбуваються в р-п-переході
Електрони з п-напівпровідника,
де їх концентрація вище, будуть дифундувати
в р-напівпровідник,
де їх концентрація нижче. Дифузія ж
дірок відбувається у зворотному напрямі
– у напрямі р
п.
В п-напівпровіднику
через вихід електронів поблизу межі
залишається некомпенсований позитивний
об'ємний заряд нерухомих іонізованих
донорних атомів. В р-напівпровіднику
через вихід дірок поблизу межі утворюється
негативний об'ємний заряд нерухомих
іонізованих акцепторів (рис.
33.2). Ці об'ємні заряди
утворюють поблизу границі подвійний
електричний шар, поле якого, направлене
від п-області
до р-області,
перешкоджає подальшому переходу
електронів у напрямі п
р і
дірок у напрямі р
п . Якщо
концентрації донорів і акцепторів в
напівпровідниках п-
і р-типу однакові, то
товщина шарів, в яких локалізуються
нерухомі заряди, однакова.
Рис. 33.2
Провідність p-n-переходу
Товщина шару p-n-переходу в напівпровідниках складає приблизно 10-6 – 10-7 м, а контактна різниця потенціалів – десяті частки вольт. Носії струму здатні подолати таку різницю потенціалів лише за температури в декілька тисяч градусів, тобто за звичайних температур рівноважний контактний шар є замикаючим (характеризується підвищеним опором).
Опір замикаючого шару можна змінити з допомогою зовнішньою електричного поля. Якщо прикладене до p-n-переходу зовнішнє електричне поле направлено від n-напівпровідника до р-напівпровідника (рис. 33.3,а), тобто співпадає з полем контактного шару, то воно викликає рух електронів в n-напівпровіднику і дірок в p-напівпровіднику від межі p-n-переходу в протилежні сторони. В результаті замикаючий шар розшириться і його опір зросте.
Рис. 33.3
Напрям зовнішнього поля, що розширює замикаючий шар, називається замикаючим (зворотним). В цьому напрямі електричний струм через p-n-перехід практично не проходить. Струм в замикаючому шарі в замикаючому напрямі утворюється лише за рахунок неосновних носіїв струму (електронів в р-напівпровіднику і дірок в n-напівпровіднику).
Якщо прикладене до p-n-переходу зовнішнє електричне поле направлено протилежно полю контактного шару (рис. 33.3,б), то воно викликає рух електронів в n-напівпровіднику і дірок в р-напівпровіднику до границі p-n-переходу назустріч один одному. В цій області вони рекомбінують, товщина контактного шару і його опір зменшуються. Отже, в цьому напрямі електричний струм проходить крізь p-n-перехід в напрямі від р-напівпровідника до n-напівпровідника; цей напрям називається пропускним (прямим).
Таким чином, p-n-перехід має односторонню (вентильну) провідність.