Электронно-дырочный переход

Рассмотрим физические процессы, происходящие в месте контакта двух полупроводников типа и типа. В полупроводнике типаосновными носителями тока являются электроны, в полупроводнике типа – дырки. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или переходом. На практике переход создается не механическим соединением, а образованием и областей в процессе выращивания кристалла или диффузией примесных атомов в уже готовый кристалл.

Поскольку в области преобладают электроны проводимости, а в области – дырки, то в области контакта существуют встречные градиенты концентрации электронов и дырок , где и – концентрации электронов и дырок, – пространственная координата по нормали к границе контакта. Тепловое движение электронов и дырок создает диффузионный ток плотностью

, (35.10)

где и – коэффициенты диффузии электронов и дырок.

В процессе диффузии электроны проникают в область, где рекомбинируют с дырками, а дырки, проникшие в область, рекомбинируют с электронами. Поэтому прилегающие к границе тонкие слои полупроводника будут обеднены на носители тока. Зато проявятся заряды неподвижных примесных ионов, которые раньше компенсировались основными носителями тока. В прилегающем к границе слое области появится положительный объемный заряд, а в таком же слое области – отрицательныйобъемный заряд (см. рис. 35.16).

Таким образом, на границе перехода возникает двойной электрический слой. Вектор создаваемого им поля направлен от области к области. Хотя толщина этого слоя и невелика ( ), все же электропроводность его вследствие чрезвычайно низкой концентрации носителей тока очень мала. Поле создает дрейфовый ток (так называют ток, создаваемый электрическим полем, в отличие от диффузионного тока, создаваемого градиентом концентрации) напряженностью

, (35.11)

где и – подвижности электронов проводимости и дырок, соответственно. Если к переходу не подключено внешнее напряжение, то поле перехода создает ток неосновных носителей, концентрация которых очень мала. Контактная разность потенциалов возрастает до тех пор, пока дрейфовый ток не уравновесит ток диффузионный.

Приконтактный слой со сниженной вследствие рекомбинации встречных потоков электронов и дырок концентрацией носителей тока называют запирающим слоем. В запирающем слое возникает контактная разность потенциалов или, иначе говоря, создается потенциальный барьер (несколько десятых вольта) для основных носителей тока.

Согласно представлениям зонной теории, область в результате диффузии электронов приобретает отрицательный потенциал , а область в результате диффузии дырок – положительный потенциал . Потенциальная энергия электрона в области возрастает на величину , а в области уменьшается на величину . Энергетические зоны области поднимаются, а энергетические зоны области опускаются до выравнивания уровней Фéрми обеих областей. В области перехода энергетические зоны изгибаются, как это показано на рис. 35.17.

Подключим к кристаллу с переходом внешний источник ЭДС, как показано на рис. 35.20. Теперь внешнее электрическое поле ослабляет встречное поле , снижается потенциальный барьер, как это показано на зонной диаграмме рис. 35.18. Сопротивление переходного слоя уменьшается, ток основных носителей резко возрастает. Под действием поля основные носители – электроны и дырки в толще полупроводника движутся к переходу, и толщина запирающего слоя уменьшается. Ток возрастает за счет обогащения запирающего слоя основными носителями. Направление тока, прохождению которого переход практически не оказывает сопротивления, называется прямым или пропускным. Прямой ток проходит через переход от дырочного ( ) полупроводника к электронному ( ).

Изменим теперь полярность включения источника ЭДС (рис. 35.21). В этом случае векторы и имеют одинаковое направление, потенциальный барьер, как это показано на зоной диаграмме рис. 35.19, повышается. Сопротивление запирающего слоя еще больше возрастают. Электроны и дырки перемещаются в противоположных направлениях от перехода, который, таким образом, обедняется на основные носители тока. Такое направление поля называется обратным или непропускным. Незначительный обратный ток может поддерживаться лишь за счет неосновных носителей тока.

На рис. 35.22 показана статическая вольт-амперная характеристика перехода зависимость тока через переход от приложенного к переходу внешнего напряжения . Участку А характеристики соответствует прямой ток, а участку В – малый обратный ток. Обратный ток уже при достаточно малых значениях обратного напряжения достигает насыщения, когда практически все зарождающиеся в толще полупроводника неосновные носители рекомбинируют в области перехода и поэтому обратный ток не может больше возрастать, несмотря на увеличение напряжения. При достаточно высоком обратном напряжении количество неосновных носителей лавинообразно нарастает вследствие ионизации атомов полупроводника ускоренными электрическим полем электронами, происходит электрический пробой перехода. При этом величина тока стремительно растет (участок С характеристики), и контактный слой может разрушиться. На участках А и Б вольт-амперная характеристика перехода описывается выражением

, (35.12)

где – обратный ток насыщения, – элементарный заряд, – постоянная Больцмана, – абсолютная температура.