Электронно-дырочный переход

Однородные полупроводники используются чрезвычайно редко. Существует только один вид полупроводниковых приборов - полупроводниковые резисторы, в которых используется однородный полупроводниковый материал одного типа проводимости. Все остальные полупроводниковые приборы используют специфические свойства границы двух полупроводниковых материалов различной проводимости. Область на границе двух полупроводниковых сред с различным типом проводимости называется электронно-дырочным переходом или p-n-переходом. При контакте таких сред в связи с различной концентрацией носителей происходит диффузия дырок из среды p-типа в среду n-типа и диффузия электронов из среды n-типа в среду p-типа. Дырки, вошедшие в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в p-область к дыркам этой области. Вследствие этих двух факторов (диффузии основных носителей и рекомбинации) концентрация основных носителей p_p и n_n в приграничных областях падает, образуется слой в сильной мере, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением, так называемый запирающий слой. Толщина l₀ запирающего слоя составляет несколько микрометров.

Вследствие объединения приграничных слоев основных носителями в пограничной p-области повышается концентрация носителей — электронов, а в n-области - концентрация дырок. Эти заряды создают на границе раздела электрическое поле. На рис. 1.1 показаны графики изменения концентрации носителей в приграничном слое, а также диаграмма разности потенциалов j и напряженности поля E в p-n-переходе. При этом измерение разности потенциалов производится относительно n-области. Величина разности потенциалов между p- и n-областями полупроводника (контактная разность потенциалов) носит название потенциального барьера j₀. Величина потенциального барьера пропорциональна соотношению концентрации носителей одного знака по обе стороны перехода:

Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером j₀ создает тормозящее действие для основных и ускоряющее для неосновных носителей заряда, что приводит к уменьшению диффузионного тока через p-n-переход и появлению встречного ему дрейфового тока. Наличие дрейфового тока неосновных носителей в свою очередь снижает величину потенциального барьера. В итоге возникает динамическое равновесие I_др = I_диф установившемся значении j₀. Численное значение j₀ для германия составляет 0,3–0,5В, а для кремния 0,6–0,8В.

В результате в p-n-переходе двух полупроводников даже без приложения внешнего напряжения возникает потенциальный барьер, препятствующий движению основных носителей через переход.

Методы получения p-n-перехода:

1. Метод сплавления;

2. Метод диффузии из газовой, жидкой или твердой среды;

3. Метод эпитаксии - выращивание тонких плеток полупроводников на подложках из монокристаллов другого полупроводника;

4. Метод электронно-лучевой обработки - расплав электронным пучком.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение в прямом направлении, т.е. положительный полюс источника подключить к p-области, то потенциальный барьер уменьшается на величину внешнего напряжения E_вн. При E_вн > 0,5 В (для германия) запирающий слой исчезает (рис. 1.2). Уменьшение потенциального барьера увеличивает диффузионный ток основных носителей: поток дырок из p-области в n-область и поток области электронов из n-области в p-область. Дрейфовый ток практически не меняется. В результате появляется прямой ток через переход I_a:

Диффузия зарядов через прямой переход носит название инжекции.

Зависимость величины прямого тока от падения напряжения на переходе называется вольтамперной характеристикой p-n-перехода, смещенного в прямом направлении. Эта характеристика имеет вид, представленный на рис. 1.3. Начальная нелинейная область характеристики соответствует наличию запирающего слоя не полностью открытого перехода. Основная линейная часть характеристики соответствует полностью открытому переходу и описывается аналитическим выражением:

где U₀ — напряжение отсечки;

R_д — дифференциальное сопротивление перехода, определяющее наклон линейной части характеристики.

Максимальное значение падения напряжения на переходе в прямом направлении зависит от материала полупроводника, площади перехода и величины тока. Обычно оно не более 0,6–0,7 В для кремния. Максимально допустимый ток через переход определяется главным образом площадью перехода.

Если к p-n-переходу подключить внешнее напряжение в обратном направлении, то это приведет к расширению запирающего слоя и увеличению потенциального барьера (рис. 1.4). I_диф. становится еще меньше и ток через переход в обратном направлении будет очень мал:

Вольтамперная характеристика перехода в обратном направлении показана на рис. 1.5. Обратный ток создается неосновными носителями и зависит от площади перехода и в сильной мере от температуры среды. При больших значениях обратного напряжения возникает пробой p-n-перехода, заключающийся в резком, неуправляемом увеличении числа носителей заряда. На вольтамперной характеристике пробой соответствует резкому загибу кривой вниз, в сторону увеличения обратного тока. Различают два вида пробоя: электрический и тепловой. Электрический пробой может быть обратимым и носит лавинный и туннельный характер. Лавинный электрический пробой вызывается тем, что под влиянием высокого напряжения неосновные носители выбивают электроны из атомов полупроводника. При туннельном пробое электроны вырываются из атомов непосредственно воздействием высокого напряжения. Тепловой пробой всегда необратим, вызывает расплавление материала. Иногда тепловой пробой сопровождается электрическим.

Электронно-дырочный переход обладает электрической емкостью. Закрытый переход характеризуется барьерной (зарядной) емкостью, величина которой зависит от площади перехода и диэлектрической проницаемости материала, и на практике колеблется в пределах от 10 до 100 пФ. Открытый переход характеризуется диффузионной емкостью, которая зависит от величины прямого тока и находится в пределах 100–1000 пФ.