Р-n переход и его свойства

Граница между областями полупроводникового материала с различным типом проводимости называется p – n переходом.

Электроны в n области и дырки в p области называются основными носителями. Электроны в p- области и дырки в n-области называются неосновными носителями.

При отсутствии внешнего напряжения основные носители заряда диффундируют из области с одним типом проводимости в другую. Электроны попадают в область с проводимостью типа p, становятся там неосновными носителями и рекомбинируют с дырками. Аналогично ведут себя дырки, попадая в область с проводимостью типа n. В единичном акте рекомбинации гибнет пара носителей: электрон и дырка. В результате диффузии основных носителей и рекомбинации неосновных в полупроводнике по обеим сторонам границы остаются нескомпенсированные заряды – положительные в полупроводнике типа n и отрицательные в полупроводнике типа p, которые лишены подвижности. Эти заряды создают электрическое поле, которое называется диффузионным Е_диф. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей, поэтому его называют потенциальным барьером. Обеднение области p-n перехода основными носителями зарядов приводит к возрастанию сопротивления этой области, поэтому p-n переход называется еще запирающим слоем.

Рис. 6.1. Схема возникновения диффузионного слоя:

а-полупроводники до контакта; б-полупроводники после контакта;

◦-электроны; • - дырки; и локализованные(неподвижные заряды;

d- запирающий слой.

Рис. 6.2. Вольт-амперная характеристика p-n перехода

Если к p-n переходу подключить источник энергии положительным полюсом к p области (такое включение называется прямым), то электрическое поле, создаваемое этим источником внутри полупроводника, будет противоположно по направлению диффузионному, в результате чего б льшее количество основных носителей, чем при равновесном состоянии, перейдут через границу раздела. Так как скорость рекомбинации электронов и дырок конечна, основные носители, перешедшие через границу раздела будут, уменьшать толщину запирающего слоя, и его сопротивление, в результате чего через p-n переход потечет ток, величина которого будет быстро увеличиваться при возрастании приложенного напряжения.

Если источник энергии положительным полюсом подключить к n области (такое включение называется обратным), высота потенциального барьера увеличится, т.к. направление поля создаваемого источником, совпадает с направлением диффузионного поля. Основные носители будут уходить от перехода, а сопротивление запирающего слоя будет расти. В этих условиях ток через переход определяется только движением к переходу неосновных носителей, для которых поля источника и диффузионного слоя являются ускоряющими. Но , так как концентрация неосновных носителей много меньше концентрации основных, ток в обратном направлении на несколько порядков меньше тока в прямом, несмотря на то, что обратное напряжение может достигать нескольких сотен вольт. Следовательно, электронно-дырочный переход обладает свойством односторонней проводимости.Односторонняя проводимость p-n перехода наглядно демонстрируется его вольт-амперной характеристикой рис.6.8.Аналитически вольт- амперная характеристика описывается следующим уравнением:

I= , (6.1)

где – диффузионный ток (ток при отсутствии внешнего напряжения).

Уравнение (6.1) показывает, что при положительных прямых напряжениях больше 0,05 В >>>1 и ток через переход резко возрастает. При обратных (отрицательных) напряжениях больше 0,05 В <<< 1 и этим слагаемым можно пренебречь, тогда = - , т.е. обратный ток равен диффузионному току через переход, который в обычных условиях составляет 1∙10^-3 - 1∙10^-4 мкА и при инженерных расчетах его можно не учитывать. При U > U_обр.max. происходит пробой p – n перехода и уравнение (6.1) перестает работать. Сущность пробоя заключается в том, что неосновные носители, двигаясь в сильном электрическом поле, приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации нейтральных атомов полупроводника. Этот процесс носит лавинный характер. В результате чего происходит умножение носителей в переходе и резкое увеличение обратного тока; p-n переход теряет при этом свойство односторонней проводимости.

Таким образом, p – n переход – нелинейный элемент, сопротивление которого меняется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. При увеличении прямого напряжения сопротивление p – n перехода уменьшается; при изменении полярности прямого напряжения сопротивление p – n перехода резко возрастает.

Способность p – n перехода проводить ток в одном направлении нашла практическое применение в диодах, транзисторах, тиристорах и других полупроводниковых приборах, используемых в различных электронных устройствах.