Процессы в электронно-дырочном переходе

Основой полупроводниковых устройств является электронно-дырочный переход (p-n переход). Это переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p-типа, а другая – n-типа. P-nпереход получают в едином кристалле полупроводника путем легирования его донорной и акцепторной примесями. Слева от границы раздела (рис. 6) электронов меньше, чем справа, поэтому они стремятся дифундировать в р-область. Попадая в р-область они рекомбинируют с дырками и их концентрация быстро падает. Аналогично дырки переходят в n-область и тоже рекомбинируют с электронами. В силу этого имеет место ток диффузии

I _диф = I_{p диф} + I_{n диф},(1.6)

направление которого совпадает с направлением диффузии дырок.

Вследствии диффузии основных носителей в их областях остается нескомпенсированный заряд ионизированных атомов примеси. Таким образом, вблизи границы раздела образуется переходный слой из противоположных по знаку зарядов. Они создают электрическое поле, направленное от положительных доноров к отрицательным акцепторам, т.е. от n-области к p-области. Между p и n областями создается разность потенциалов U_кн, которая называется контактной. Для германиевых p-n переходов U _кн= 0,3 - 0,4 В, для кремниевых – U_кн = 0,7 - 0,8 В. Это поле препятствует диффузии основных носителей в соседнюю область , создавая потенциальный барьер. Это, в свою очередь, препятствует выравниванию концентраций носителей по объему кристалла. Поскольку в объеме кристалла имеются неосновные носители (дырки в n-области и электроны в p-области) электрическое поле p-n перехода способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область (электронов – в n-область, дырок – в p-область). Таким образом создается ток неосновных носителей, который называется тепловым током

I_o = I_on + I_op .(1.7)

Этот ток мал.

За положительное направление тока принимают направление тока диффузии.

Наличие контактной разности потенциалов приводит к снижению тока диффузии, вследствие чего суммарный ток через p-n переход

I_p-n = I_дифo - I_o = 0.(1.8)

Это приводит к образованию слоя, обедненного подвижными носителями, который обладает малой удельной проводимостью и называется запирающим. Его ширина

, (1.9)

e – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;

N_д » n; N_а » p – концентрация ионизированных атомов донорной и акцепторной примесей.

Обычно переход несимметричен. Если N_а >> N _д, то

. (1.10)

Обратное смещение p-n перехода

При обратном направлении подаваемого на p-n переход смещения, (рис.7, а) источник подключается так, чтобы поле, создаваемое внешним источником, совпадало по направлению с полем p-n перехода. При этом потенциальный барьер увеличивается и становится равным

U¢ = U_кн + U . (1.11)

Из-за его роста количество носителей заряда, способных преодолеть отталкивающее действие результирующего поля, уменьшается. Соответственно уменьшается и ток диффузии (рис.7).

а б

Рис. 7.р-n переход при: а – обратном смещении; б – прямом смещении

Под действием электрического поля, создаваемого источником напряжения U, основные носители заряда будут оттягиваться от приконтактного слоя. Из-за этого ширина запирающего слоя возрастает. Рост внешнего обратного напряжения приведет к сокращению количества подвижных носителей заряда, отчего диффузионный ток будет стремиться к нулю. Снижение I_диф происходит по экспоненте:

^; ,(1.12)

здесь I_n0, I_p0 – диффузионный ток электронов и дырок при U = 0.

Тепловой ток зависит от концентрации неосновных носителей заряда в n- и pобластях и не зависит от напряжения, приложенного к переходу. Полный ток через переход равен

_. (1.13)

Прямое смещение p-n перехода

При прямом направлении смещения (рис.7,б) внешний источник напряжения включается так, что поле, создаваемое им в p-n переходе, направлено навстречу собственному полю перехода. Это приводит к уменьшению потенциального барьера. Облегчается диффузия основных носителей заряда и появляется диффузионный ток. Так как прямое напряжение вызывает встречное движение дырок и электронов, их концентрация в переходной области растет, ширина запрещающего слоя уменьшается.

Зависимость тока диффузии от прямого напряжения имеет вид

. (1.14)

Тепловой ток по-прежнему не зависит от напряжения. Полный ток через переход равен

. (1.15)

Вольт-амперная характеристика перехода показана на рис. 8.

При прямом смещении с одной стороны растет ток за счет роста I₀, а с другой из-за нагрева уменьшается проводимость полупроводникового кристалла, отчего ток снижается.