Теоретическая часть. 2.1.1. Основные сведения о p–n переходе

2.1.1. Основные сведения о p–n переходе

Электронно-дырочный переход является основным элементом большинства полупроводниковых приборов. Он представляет собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную, а другая дырочную электропроводность.

Рассмотрим процесс образования перехода при отсутствии внешнего напряжения (равновесное состояние). Напомним, что в области имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные отрицательно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные, положительно заряженные дырки. В области также имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные положительно заряженные ионы атомов донорной примеси и свободные, отрицательно заряженные электроны.

До соприкосновения и областей все вышеперечисленные носители зарядов распределены равномерно. При контакте, на границе и областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и диффузия. В процессе диффузии электроны (дырки) из области переходят в область и там рекомбинируют с дырками (электронами). В результате такого движения свободных носителей заряда их концентрация на границе раздела и областей убывает почти до нуля. В области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле , которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины и областей через переход (см. рис. 1а). Область, объединённая свободными носителями заряда со своим электрическим полем и называется электрическим переходом. Он характеризуется двумя основными параметрами.

Рис. 1. переход при отсутствии внешнего напряжения: а) – поперечное сечение; б) – зависимость концентрации основных носителей заряда

от ширины перехода; в) – распределение потенциала по ширине –перехода

1. Высота потенциального барьера. Она определяется контактной разностью потенциалов (рис. 1в), обусловленной градиентом концентрации носителей заряда. определяет энергию, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер, определяемый соотношением:

, (1)

где - постоянная Больцмана; - абсолютная температура; - заряд электрона; и - концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; и - концентрации дырок в и областях соответственно (см. рис. 1б); - собственная концентрация носителей заряда в нелегированном полупроводнике.

Величина называется тепловым потенциалом. Например, при температуре .

Характерные значения контактной разности потенциалов составляют для германиевого перехода , для кремниевого . На рис. 1в показано характерное распределение потенциала по ширине перехода.

2. Ширина перехода. Она представляет собой приграничную область, обеднённую свободными носителями заряда, которая располагается в и областях (см. рис. 1а):

, (2)

где ; . (3)

Тогда (4)

Обычно ширина перехода имеет порядок .

Если , то и в этом случае переход называется симметричным. Если , то и переход называется несимметричным, причём он в основном располагается в высокоомной –области полупроводника с меньшей (по сравнению с –областью) концентрацией примеси.

В равновесном состоянии через переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток , обусловленный неосновными носителями заряда и диффузионный ток , который обусловлен основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует, то эти токи взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю:

. (5)

Соотношение (5) называют условием динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном переходе. Оно выполняется только при определенном значении контактной разности потенциалов , удовлетворяющей выражению (1).

Если к переходу подключить внешнее напряжение, то условие динамического равновесия токов (5) будет нарушено. В зависимости от полярности напряжения, приложенного к и областям перехода, возможны два режима работы.

1. Прямое смещение перехода. переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс внешнего источника питания подключен к области, а отрицательный к области (см. рис. 2).

Рис. 2. переход при прямом смещении

В случае прямого смещения, внутреннее электрическое поле в переходе направлено встречно электрическому полю создаваемому источником питания . При этом результирующее напряжение на переходе убывает до величины . Это приводит к тому, что напряженность электрического поля также убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Кроме того, при прямом смещении происходит уменьшение ширины перехода, так как, в соответствии с (4), . Ток диффузии, ток основных носителей заряда, в этом случае становится много больше дрейфового. Таким образом, через переход протекает прямой ток:

. (6)

При протекании прямого тока основные носители заряда области переходят в область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда, накапливающихся в и областях во внешней цепи, возникает электронный ток от источника напряжения. То есть принцип электронейтральности сохраняется.

При увеличении напряжения , ток резко возрастает и может достигать больших величин, так как связан с основными носителями заряда, концентрация которых велика. Ток через прямо смещенный переход определяется соотношением:

, (7)

где - тепловой ток, или ток насыщения.

2. Обратное смещение перехода. переход считается смещённым в обратном направлении, если положительный полюс внешнего источника питания подключен к области, а отрицательный к области (см. рис. 3).

При этом электрическое поле источника питания суммируется с внутренним полем перехода, что приводит к увеличению высоты потенциального барьера до величины . Напряженность электрического поля

Рис. 3. переход при обратном смещении

также возрастает, и, так как в соответствии с (4) , то происходит увеличение ширины перехода. Процесс диффузии полностью прекращается и через переход протекает дрейфовый ток, ток неосновных носителей заряда. Такой ток называют обратным, а поскольку он связан с неосновными носителями заряда, которые возникают за счет термогенерации, то его называют тепловым током и обозначают т.е.:

. (8)

Этот ток мал по величине , так как связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала по сравнению с концентрацией основных носителей заряда. Таким образом, переход обладает односторонней проводимостью.

При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины и областей к границе перехода. Достигнув ее, неосновные носители заряда попадают в сильное электрическое поле и переносятся через переход, где становятся основными носителями заряда. Данное явление, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный ток перехода – ток неосновных носителей заряда. Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, а также материала полупроводника.

Температурная зависимость обратного тока определяется формулой:

, (9)

где - номинальная температура, - фактическая температура, - температура удвоения теплового тока:

.

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового тока перехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с величиной (у кремния больше ширина запрещенной зоны, следовательно, меньшая концентрация неосновных носителей заряда при фактической температуре ) материала.

Таким образом, мы установили, что главное свойство перехода – это его односторонняя проводимость.

2.1.2. Вольт – амперная характеристика