Теоретическое введение. Структура энергетических зон в полупроводнике описана в лабораторной работе 3-16

Структура энергетических зон в полупроводнике описана в лабораторной работе 3-16. Там же объяснено, как возникает n– и p–тип проводимости в примесных полупроводниках.

Электронно-дырочный переход (р-n–переход)– это переходный слой между двумя областями полупроводника с разным типом проводимости (p– и n–типа). Р-n–переход имеет большое практическое значение, являясь основой многих полупроводниковых приборов, в частности полупроводникового диода и транзистора.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p-n–переходе. Пусть донорный полупроводник (полупроводник n–типа) приводится в контакт с акцепторным полупроводником (полупроводником p–типа).

Из п–области с высокой концентрацией свободных электронов происходит их диффузия в р–область, где эта концентрация очень мала. Имеющиеся там в избытке дырки легко «захватывают» пришедшие свободные электроны (т.е. эти электроны занимают вакантные места в ковалентных связях между атомами кристалла и тем самым перестают быть свободными). Таким образом, происходит рекомбинация – попарное исчезновение положительного (дырки) и отрицательного (свободного электрона) носителей заряда. Рекомбинация приводит к тому, что с обеих сторон поверхности раздела образуется тонкий слой, лишенный основных носителей заряда и поэтому близкий по свойствам к диэлектрику. Кроме того, уход электронов из п–области обусловливает возникновение там избыточного положительного заряда, а их появление в р–области – возникновение нескомпенсированного отрицательного заряда.

Следовательно, р-п–переход можно уподобить микроскопическому заряженному конденсатору, который создает внутреннее электрическое поле напряженностью . Это поле препятствует дальнейшему перемещению основных носителей через р-п–переход. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n– и p–типа одинаковы, то толщина слоя, обусловленная нескомпенсированным положительным зарядом в n–области, будет равна толщине слоя, обусловленного нескомпенсированным отрицательным зарядом в p-области. На рис.18.1,а показано пространственное распределение зарядов в отсутствие внешнего электрического поля.

Прямое включение p-n–перехода («+» к р–области, «–» – к п–области) создает внешнее поле, направленное противоположно внутреннему полю (рис.18.1,б). При этом движение электронов в n–области и дырок в p–области направлено к границе p-n–перехода навстречу друг к другу. Они рекомбинируют с неосновными носителями в p-n–переходе, и толщина контактного слоя уменьшается. При этом высота потенциального барьера уменьшается, что благоприятствует движению основных носителей заряда через р-п–переход. С увеличением прямого напряжения U_пр сопротивление перехода уменьшается, и прямой ток I_пр быстро возрастает (прямая ветвь вольтамперной характеристики, рис. 18.2).

Если к p-n–переходу приложить обратное напряжение, т.е. «+» к п–области, а «–» – к р–области, то внешнее поле будет сонаправлено с внутренним (рис.18.1,в). В результате происходит движение электронов в n–области и дырок в p–области от границы p-n–перехода в противоположные стороны. Высота потенциального барьера для основных носителей увеличится. Через диод будет протекать очень малый по величине обратный ток, обуслов‑
ленный движением малочисленных неосновных носителей. Обратный ток I_обр слабо зависит от приложенного напряжения U_обр (обратная ветвь ВАХ, рис. 18.2).

Таким образом, p-n–переход обладает односторон‑
ней проводимостью.

При прямом включении через тонкий р-n–переход (где возможно пренебречь рекомби‑
нацией в переходном слое), протекает так называемый прямой ток с плотностью:

, (18.1)

где j_s– плотность тока насыщения; U – напряжение на р-n–переходе.

Плотность тока j_пр будет возрастать по экспоненте в зависимости от внешнего напряжения U.

Если теперь осуществить включение обратной полярности, то потенциальный барьер возрастает, однако обратный ток не падает до нуля, его плотность

(18.2)

Если обратное напряжение , то первый член в скобках (18.2) становиться много меньше единицы, обратный ток оказывается не зависящим от напряжения:

Это справедливо, однако, до тех пор пока обратное напряжение не достигнет некоторого значения, выше которого начинается пробой запорного слоя.