1.2.2. Электронно-дырочный переход

П од электронно-дырочным переходом понима­ют контакт двух полупроводников из кремния с различной проводимостью (рис.1.2). В р-слое полупроводника концентрация дырок (основных носителей заряда) значительно превышает концентрацию электронов (неосновных носителей). В n-слое, наоборот, концентрация электро­нов (основных носителей) превышает концентрацию дырок (неосновных носителей).

Рис.1.2. Электронно-дырочный переход:

1 – неосновные носители; 2 – основные носители; 3 – акцепторы; 4 – доноры

В n-слое электропроводимость определяется свободными электронами. Их называют основными носителями отрицательного заряда. Они возникают в результате потери электрона атомами примеси V группы табл. Менделеева (например, сурьма) при воздействии малой тепловой энергии. Количество электронов равно количеству неподвижных положительных ионов примеси, которые образовались в узлах кристаллической решетки.

В p-слое электропроводимость определяется дырками. Их называют основными носителями положительного заряда. Они возникают в результате потери электрона атомом кремния (основного полупроводника), который переходит на орбиталь примесного атома III группы элемента табл. Менделеева (например, индий). Это происходит также под воздействием малой тепловой энергии. При этом примесный атом становится отрицательным ионом, а соседний атом кремния, потерявший электрон, несет собой положительный заряд, являясь дыркой.

По обе стороны от границы раздела слоев возникают большие неравенства (градиенты) концентра­ций электронов и дырок. Наличие градиента концентраций носите­лей заряда приводит к диффузионному их движению в сторону меньшей концентрации: дырок – в n-слой, электронов – в р-слой.

Вследствие возникает диффузионный ток, направленный из р-слоя в n-слой. Встречаясь на границе p- и n-слоев заряды рекомбинируют (т.е. исчезают). Поэтому в приграничной области уменьшается концентрация подвижных носителей заряда. По обе стороны от контакта образуются пространственные или объемные заряды, образованные примесями в узлах кристаллической решетки кремния (в p-слое ионы акцепторов, а в n-слое – ионы доноров). Контакт обладает малой проводимостью из-за того, что нет подвижных носителей заряда. Поэтому его еще называют запирающим слоем. Он обозначен d, протяженность областей неподвижных зарядов разная – акцепторы занимают меньшую часть запирающего слоя, доноры – большую часть.

Если к переходу присоединить внешний источник напряжения с положительным полюсом у р-слоя и отрицательным – у n-слоя (прямая полярность), то вследствие появившегося при этом внешне­го электрического поля U, направленного против поля запираю­щей области, начнется перемещение основных носителей заряда от электродов к границе перехода. Обедненные пограничные слоя пополняются основными носителями заряда, в результате чего понижается сопротивление запирающего слоя и нарушается ранее установившееся динамическое равновесие. Электроны из n-слоя и дырки из р-слоя интенсивно перемещаются, и через гра­ницу раздела слоев начинает протекать электрический ток. Этот процесс будет проходить тем интенсивнее, чем ниже по­тенциальный барьер, т.е. чем выше приложенное напряжение. При достаточном напряжении весь объемный заряд компенси­руется дырками и свободными электронами, запирающий слой исчезает, и сопротивление структуры становится минимальным. Че­рез структуру протекает прямой ток I_ПР, определяемый величиной приложенного напряжения U_ПР и внешним сопротивлением на­грузки.

Если изменить полярность приложенного к структуре напря­жения на обратную, то внешнее электрическое поле будет склады­ваться с полем р-n-перехода, а основные носители заряда будут пере­мещаться от границы перехода к электродам. Обедненные основными носи­телями пограничные области перехода расширятся, прохождение прямого тока станет невозможным, и через монокристаллическую структу­ру будет протекать лишь обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда, перемещению которых способствует потен­циальный барьер. Однако при этом величина обратного тока мала, так как мала концентрация неосновных носителей.

Таким образом, электронно-дырочный переход обладает свой­ством односторонней проводимости. В прямом направлении его со­противление мало, в обратном – велико.

При значительном увеличении обратного напряжения, прило­женного к электронно-дырочному переходу, наблюдается резкое возрастание обратного тока. Это явление называют пробоем элек­тронно-дырочного перехода. Различают три вида (механизма) про­боя: туннельный, лавинный и тепловой. Первые два свя­заны с увеличением напряженности электрического поля, третий – с увеличением рассеиваемой мощности и соответственно темпера­туры.

Туннельный пробой р-n-перехода возникает в узких элек­тронно-дырочных переходах (порядка единиц микрон) при воздействии на них мощного обратного поля с напряженностью по­рядка 10⁶ В/см.

Лавинный пробой р-n-перехода обычно развивается в перехо­дах, образованных слаболегированными полупроводниками с до­статочно большой шириной запирающего слоя. В этом случае неосновные носители, перемещаясь в поле р-n-перехода, под воз­действием высокого обратного напряжения приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов полупроводника. Происходит резкое (лавинное) «размножение» носителей заряда и, как следст­вие, резкое возрастание обратного тока при практически неизмен­ном обратном напряжении. Этот процесс обратим и протекает без разрушения кристаллической решетки.

Тепловой пробой р-n-перехода возникает вследствие разогре­ва перехода большим обратным током. При увеличении рассеиваемой в переходе мощности, растет и температура кристалла, что приводит к увеличению числа носителей заряда, обратного тока и к дальнейшему росту рассеиваемой мощности и тем­пературы перехода. При недостаточном теплоотводе это может при­вести к разрушению электронно-дырочного перехода.