Т. 1.3 ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Рабочими элементами полупроводниковых приборов являются ЭДП.

ЭДП называется граница между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность р-типа, а другая п-типа.

Р-n переход нельзя получить простым соприкосновением двух образцов полупроводников с различными типами электропроводности, так как в месте соединения неизбежны зазоры и дефекты. Идеальный ЭДП осуществляется в монокристалле, в котором тем или иным способом получена резкая граница между р и п областями. Рассмотрим процессы в плоскостном р-n переходе (рисунок 14).

Рисунок 14 – Плоскостной р-n переход

Плоскостным называется переход, у которого линейные размеры, определяющие площадь перехода намного превышают его толщину.

При комнатной температуре можно считать все атомы акцепторов и доноров полностью ионизированными. Примем концентрацию доноров см , см - концентрация акцепторов.

Концентрация дырок в р-области, где они являются основными намного больше, чем в п- области, где они неосновные, т.е.

Рр »Рп

Концентрация электронов в п- области намного больше концентрации электронов в р - области, где они являются неосновными носителями, т.е.

п_п » п_р

Следовательно, в р-n переходе имеется градиент концентрации носителей заряда каждого знака. Под действием градиента концентрации носители заряда диффундируют из области с высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией. Дырки из р в п - область, электроны из п в р- область.

Эти потоки носителей заряда образуют диффузионный ток р-n перехода, имеющий дырочную и электронную составляющую тока через переход : и .

В результате диффузии в прилегающем к контакту слое р-области образуется отрицательный пространственный заряд. В прилегающем к контакту п- слое образуется положительный пространственный заряд.

Таким образом, вблизи контакта областей с различными типами электропроводности возникает двойной электрический слой или двойной слой пространственного заряда.В приконтактном слое концентрация основных носителей заряда уменьшается по сравнению с концентрацией в остальном объеме полупроводника. Обедненный спой имеет значительно меньшую электропроводность и его называют запирающим.

Внутри обедненного слоя присутствует прослойка с собственной электропроводностью (наиболее высокоОмная часть запирающего слоя). Пространственные заряды создают электрическое поле р-n перехода, напряженность которого препятствует диффузии основных носителей через р-n переход. В то же время неосновные носители каждой из областей могут беспрепятственно переходить через переход, создавая дрейфовый ток. Направление дрейфового тока (дрейфовая составляющая дырочного тока и дрейфовая составляющая электронного тока противоположно диффузионному. Поскольку в изолированном полупроводнике плотность тока должна быть равна 0, го устанавливается динамическое равновесие, при котором диффузионные и дрейфовые потоки зарядов через р-n переход компенсируют друг друга, т.е.

и .

Перепад потенциала в р-n переходе называют потенциальным барьеромили контактной разностью потенциалов.

Таким образом: высота потенциального барьера определяется отношением концентраций носителей заряда одного знака на границах перехода. У большинства кремниевых диодов ⁼ 0,7 -0,8 В, у германиевых 0,3 - 0,4В.

ЭФФЕКТ ВЫПРЯМЛЕНИЯ В Р-N ПЕРЕХОДЕ

Подключим к р-n переходу источник напряжения с эдс U и рассмотрим, как изменятся условия движения носителей зарядов через переход. Если минус источника напряжения (напряжения смещения) перехода подключить к р-области, а плюс к п- области, то под действием электрического поля источника, основные носители заряда будут перемещаться от прилегающих к контакту слоев вглубь областей (рисунок 15). Штриховые линии 1 - I¹ показывают границы перехода в равновесном состоянии, 2 — 2¹ внеравновесном, после подключения источника напряжения. В результате ширина обедненного слоя увеличивается и сопротивление р-n перехода возрастает. Включение, при котором переход представляет большое сопротивление протекающему току, называют обратным,а приложенное к переходу внешнее напряжение - обратным напряжениемU_обр. Поскольку удельное сопротивление обедненного слоя на несколько порядков выше, чем удельное сопротивление областей, то большая часть внешнего напряжения падает на переходе. Поэтому при обратном включении высота потенциального барьера возрастает на величину, равную напряжению смещения.

Aq>i = A(j>o + и_обр)

По мере увеличения потенциального барьера все меньше и меньше число основных носителей заряда оказывается способным его преодолеть. В предельном случае диффузионная составляющая тока стремится к нулю. Дрейфовая составляющая практически не зависит от высоты потенциального барьера.

Обратное напряжение изменяет лишь скорость переноса неосновных носителей заряда, не влияя на число носителей, переносимых в единицу времени.

Таким образом: с увеличением обратного напряжения ток через переход стремится к дрейфовому. В дальнейшем ток, протекающий через переход в обратном направлении, будем называть тепловым током р-n перехода I_Т.

Если же к р- области подключить плюс источника напряжения, а п- области минус, то под действием поля источника основные носители заряда начнут перемещаться в сторону контакта. Ширина запирающего слоя уменьшится, и сопротивление перехода снизится.

Включение, при котором р-n переход представляет малое сопротивление протекающему току, называют прямым (напряжение смещения также называют прямым U_np), в этом случае высота потенциального барьера определяется разностью:

Следовательно, при прямом включении перехода его потенциальный барьер уменьшится и диффузионный ток через переход возрастает. В дальнейшем этот ток, образованный основными носителями будем называть прямым I_пр.

При |U_np| < , потенциальный барьер еще способствует протеканию дрейфового тока, а при |U_np| > препятствует этому. При |U_np|>> р-n переход по существу исчезает.

Таким образом, сопротивление р-n перехода при одном направлении тока больше, чем при другом. Свойство пропускать электрический ток лишь в одном направлении (свойство односторонней проводимости) позволяет использовать р-n переход в качестве выпрямителя переменного тока.

Рисунок 15 – Прямое, обратное включение p-n перехода