Контакт электронного и дырочного полупроводников

В подавляющем большинстве устройств, используемых в настоящее время в технике, главной частью является контакт двух примесных полупроводников, обладающих различной проводимостью, так называемый электронно-дырочный переход или p-n-переход.

Контакт между n- и p-типами полупроводников можно получить:

1) путем прямого тесного соединения двух образований, имеющих различные типы проводимости (но такой контакт очень плох, т. к. существуют окисные пленки, различные дефекты и др.);

2) методом вплавления – при этом вплавленный p-n-переход характеризуется почти скачкообразным изменением типа проводимости и поэтому называется резким p-n-переходом;

3) методом диффузии – такой переход образуется в результате диффузии акцепторной примеси из газообразной или жидкой фазы в донорный полупроводник или, наоборот, донорной примеси в акцепторный полупроводник.

В полупроводнике n-типаосновными носителями заряда являются электроны, отданные донорами в зону проводимости. Здесь же есть и небольшое число дырок (неосновных носителей), образованных за счет перехода электронов из валентной зоны непосредственно в зону проводимости.

В полупроводнике р-типаосновными носителями заряда являются дырки. Кроме того, здесь имеется небольшое количество электронов (неосновных носителей), которые перешли непосредственно из валентной зоны в зону проводимости в результате теплового движения электронов.

После приведенных в контакт двух полупроводников с разной проводимостью через границу раздела начинается диффузия электронов и дырок.

Электроны из полупроводника n-типа диффундируют в полупроводник p-типа, при переходе через границу раздела электроны встречаются с дырками и рекомбинируют (электроны и дырки уничтожают друг друга). И на границе полупроводника p-типа начинает накапливаться нескомпенсированный отрицательный заряд ионов решетки, который прекращает диффузию электронов.

Дырки из полупроводника p-типа диффундируют в полупроводник n-типа, при переходе через границу раздела дырки встречаются с электронами и рекомбинируют (дырки и электроны уничтожают друг друга). И на границе полупроводника n-типа начинает накапливаться нескомпенсированный положительный заряд ионов решетки, который прекращает диффузию дырок.

Разделение зарядов на границе двух полупроводников приводит к созданию запирающего электрического поля с напряженностью , которое не дает ни электронам, ни дыркам двигаться через границу раздела – говорят, образовался p-n-переход.

Образование p-n-перехода можно объяснить с помощью зонной теории твердых тел.

В полупроводнике n-типа уровень Ферми расположен выше, чем в полупроводнике p-типа. Это значит, что <W> электронов в полупроводнике n-типа выше, чем в полупроводнике p-типа (электроны полупроводника n-типа «горячее» электронов полупроводника p-типа).

После приведения в контакт полупроводников с разной проводимостью стремление электронов занять состояния с меньшей энергией приведет к появлению диффузии электронов.

.

,

.

Переход «горячих» электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, где электроны «холодные», приводит к снижению средней энергии в полупроводнике n-типа и к повышению средней энергии в полупроводнике р-типа (это приводит к смещению энергетических зон).

Диффузия будет проходить до тех пор, пока уровень Ферми в обоих полупроводниках не сравняется.

т. к. , тогда !

Смещение зон относительно друг друга приводит к образованию потенциального барьера, который электроны самостоятельно преодолеть не могут.

Все замечательные свойства p-n-перехода проявляются при включении его в электрическую цепь.

Различают прямое и обратное включения.

Прямое включение

 

Напряженность внешнего электрического поля направлена навстречу запирающему и снижает его действие. Поэтому при прямом включении через переход течет электрический ток. И чем больше напряженность внешнего поля, тем больше величина силы прямого тока.

 

При прямом включении полупроводник n-типа получает от внешнего источника дополнительные «более горячие» электроны и <W> электронов в полупроводнике n-типа увеличивается. И из полупроводника p-типа электроны уходят, что снижает <W> электронов в нем.

Это приводит к смещению энергетических зон относительно друг друга и уровни Ферми вновь оказываются не на одной высоте.

 

Работа внешнего электрического поля

 

.

 

При этом высота потенциального барьера между энергетическими зонами полупроводников с разной проводимостью уменьшается. И чем больше внешнее напряжение U, тем ниже потенциальный барьер, а значит больше сила тока прямого включения.

 

 

 

 

(Сопротивление p-n-перехода при прямом включении снижается)

 

.

 

 

Обратное включение

 

 

Напряженность внешнего электрического поля направлена в ту же сторону, что и запирающее и усиливает его действие. Электрического тока через p-n-переход не должно быть.

Но эксперимент показывает, что при обратном включении есть небольшой обратный ток (~ в 10³ раз меньше прямого тока).

Обратный ток объясняется наличием в полупроводниках неосновных носителей заряда (в полупроводниках n-типа – дырок, а в полупроводниках p-типа – электронов). Т. к. их небольшое количество, то они все вовлекаются в процесс переноса зарядов и небольшой ток достигает быстро насыщения.

 

При обратном включении из полупроводника n-типа уходят электроны и <W> оставшихся электронов снижается, а полупроводник p-типа от внешнего источника получает «более горячие» электроны и <W> электронов в этом полупроводнике увеличивается.

Это приводит к смещению энергетических зон относительно друг друга и уровни Ферми оказываются вновь не на одной высоте, но при этом , т. е. .

 

Тогда работа внешнего электрического поля при обратном включении

 

.

При этом высота потенциального барьера между энергетическими зонами полупроводников с разной проводимостью еще более возрастает, препятствуя току основных носителей.

 

 

 

откуда

при U = 0, I_обр = 0, при

(ток неосновных носителей заряда).

 

Т. к. p-n-переход в прямом направлении хорошо пропускает электрический ток, а в обратном направлении практически не пропускает, то такое устройство стали называть полупроводниковым диодом.

Полупроводниковые диоды нашли широкое применение в качестве полупроводниковых элементов в выпрямителях электрического тока (где переменный ток преобразуется в постоянный).

 

А если привести в контакт три полупроводника с разной проводимостью n-p-n или p-n-p, то такое устройство будет еще и обладать свойством управления сигналами - полупроводниковый транзистор.

 

 

Соединение большого количества полупроводников с разной проводимостью – интегральная схема (широкое использование в микроэлектронике).