11. Контакт полупроводников с разным типом
ПРОВОДИМОСТИ
Электронно-дырочный переход, или p-n переход, – это область контакта двух полупроводников с различным типом проводимости: р-типа и n-типа.
Внесение ничтожных долей примеси в сверхчистый кристалл полупроводника изменяет тип проводимости. Полупроводник n-типа можно получить, если в кристалл 4-валентного, например германия, добавить небольшое количество 5-валентной примеси, например фосфора. Один валентный электрон атома примеси окажется слабо участвующим в химической связи. Его сравнительно легко оторвать от атома за счёт энергии теплового движения. Поэтому в полупроводниках n-типа электронов больше, чем дырок, и они являются основными носителями заряда, а дырки – неосновными носителями.
Полупроводник р-типа можно получить, если в кристалл 4-валентного сверхчистого полупроводника добавить небольшое количество трёхвалентной примеси, например индия. Одна химическая связь атома примеси оказывается незаполненной, то есть дыркой. При ионизации собственных атомов полупроводника также образуются дырки и электроны. Дырок в полупроводнике р-типа больше, чем электронов, и они являются основными носителями электрического заряда, а электроны – неосновными.
При
образовании контакта
полупроводников с разным типом
проводимости, вследствие теплового
движения электроны из n-полупроводника,
где их много, диффундируют в р-полупроводник.
Там они рекомбинируют, то есть заполняют
вакантные связи, создавая отрицательно
заряженный ион из атома примеси. И
наоборот, дырки из р-полупроводника
диффундируют в n-полупроводник,
где они рекомбинируют с электронами с
образованием положительного иона
примеси. В результате около зоны контакта
свободных зарядов ставится мало, а
образовавшиеся в узлах кристаллической
решетки ионы разного знака создают
двойной электрический слой с так
называемой контактной разностью
потенциалов, Uк.
Электрическое поле двойного электрического
слоя препятствует дальнейшей диффузии
основных носителей заряда. Для них
возникает потенциальный барьер (рис.1).
Его смогут преодолеть только те заряды,
энергия теплового движения которых
превышает барьер. Их концентрация, по
уравнению Больцмана, растет с увеличением
температуры:
.
Они создают ток диффузии
.
(1)
Здесь е – заряд электрона, k – постоянная Больцмана, Т – температура, J0 – сила тока, если бы все заряды переходили через барьер.
Зато контактное поле не препятствует, а, наоборот, увлекает неосновные носители заряда. Их движение создаёт ток дрейфа, противоположный току диффузии. В отсутствии внешних электрических полей устанавливается динамическое равновесие: ток дрейфа понижает барьер, а встречный ток диффузии его восстанавливает Jдр = Jдиф.
Электрическое поле, приложенное к электронно-дырочному переходу, нарушает равновесие. При прямом включении на кристалл р-типа подают положительный потенциал, а на кристалл n-типа – отрицательный (рис. 1, прямое). Внешнее поле при этом ослабляет контактное поле, понижает высоту потенциального барьера, и ток диффузии основных носителей возрастает. А ток дрейфа неосновных носителей остаётся постоянным. Результирующая сила тока определяется разностью тока диффузии и тока дрейфа:
.
(2)
Коэффициент перед скобкой имеет смысл тока дрейфа. Поэтому формулу (2) можно переписать в виде
. (3)
Если к электронно-дырочному переходу приложить обратное, запирающее напряжение, то внешнее поле усиливает контактное поле (рис. 1, обратное). Возрастает высота потенциального барьера. Ток диффузии основных носителей быстро падает практически до нуля. Остаётся постоянный по величине ток дрейфа, направленный от n-кристалла к р-кристаллу. Силу обратного электрического тока можно также определить по формуле (3), только полагая внешнее напряжение отрицательным.
Вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода, то есть зависимость силы тока от приложенного напряжения определяется теоретически уравнением (3). С ростом прямого напряжения результирующая сила тока растёт сначала медленно, пока внешнее напряжение не превысит контактное. Затем происходит быстрый рост силы тока, практически по экспоненциальному закону, так как током дрейфа (единицей в скобке уравнения 3) можно пренебречь. Таким образом, вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода является нелинейной: прямой ток большой, а обратный меньше в тысячи раз (рис. 2). Это свойство используется в полупроводниковых диодах для выпрямления переменного тока.
Мостовая схема выпрямителя
Фотодиоды
Светодиоды