Понятие о n - p переходе

Для выпрямления переменного тока можно использовать контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости, например, n-р переход.

Для получения n-р перехода используют метод плавления, эпитаксиальный метод, метод ионного легирования. В образец чистого полупроводника, например, германия, вводят две примеси - донорную (мышьяк) и акцепторную (индий).

Рис. 8

В результате в одной половине образца (слева) возникает полупроводник n - типа (электронная проводимость), а в другой (справа) - полупроводник р - типа (дырочная проводимость). Между ними возникает переходный слой, т. е. n-р контакт. Если оба полупроводника изготовлены на основе одного и того же материала, то границы энергетических зон (валентной и проводимости) в обоих полупроводниках совпадают (рис. 8).

Примесные уровни в полупроводнике n - типа расположены в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости.

В полупроводнике р - типа акцепторные уровни находятся также в запрещенной зоне, но вблизи потолка валентной зоны. Поэтому уровень Ферми в полупроводнике n - типа расположен выше, чем в полупроводнике р - типа. Соответственно работа выхода в первом меньше, чем во втором. Для простоты будем считать, что концентрации акцепторов и доноров равны.

Рис. 9

Концентрация носителей в собственном полупроводнике составляет 10¹⁹м^-3; концентрация неосновных носителей составляет »10¹⁶ м^-3. Из-за большого различия в концентрации основных и неосновных носителей при Т > 0 К возникают диффузионные потоки: электронов из полупроводника n - типа в полупроводник р - типа и дырок из полупроводника р - типа в полупроводник n -типа. При этом область полупроводника n - типа вблизи контакта, заряжается положительно (рис. 9. слева), а область полупроводника р -типа вблизи контакта (рис. 9.24, справа) заряжается отрицательно.

Поэтому происходит понижение уровня Ферми в полупроводнике n -типа и повышение его в полупроводнике р - типа. Процесс перехода электронов из полупроводника n -типа и дырок из полупроводника р - типа будет происходить до тех пор пока уровни Ферми не сравняются, и затем устанавливается динамическое равновесие.

Рис. 10

Поток электронов из n (слева) в р (справа) уравновешивается потоком электронов из р (справа) в n (слева). Аналогичный процесс происходит и с дырками. Таким образом, уход электронов из приконтактного слоя полупроводника n -типа приводит к возникновению в этом слое объемного положительного заряда ионизированных атомов донорной примеси.

Соответственно уход дырок из при контактного слоя полупроводника р - типа вызывает появление в этом слое объемного отрицательного заряда, локализованного на атомах акцепторной примеси. Между этими слоями возникает контактная разность потенциалов, создающая в n-p переходе потенциальный барьер j _рn = W_{F n} - W_{F p} (рис. 10), препятствующий переходу электронов из полупроводника n -типа в полупроводник р - типа и дырок из полупроводника р - типа в полупроводник n - типа.

Как показывает расчет,

, (8)

где n_no - концентрация электронов основных носителей в полупроводнике n - типа; р_ро - концентрация дырок основных носителей в полупроводнике р - типа; n_ро - концентрация дырок неосновных носителей в полупроводнике n - типа; р_nо - концентрация электронов неосновных носителей р - типа.

Рис. 11

В n-p переходе на основе германия при Т = 300 К j_{р n} » 0,45 эВ.

Ширина контактного слоя определяется высотой потенциального барьера и концентрацией основных носителей и составляет d »10 ^-8 - 10 ^-6 м.

Таким образом, в состоянии равновесия ток через n-p переход отсутствует. Приложим к n-p переходу внешнюю разность потенциалов U, подключив к р-области положительный полюс источника напряжения, а к n-области - отрицательный (рис. 11). Внешняя разность потенциалов вызовет понижение потенциального барьера для основных носителей до j_рn - q_еU, где q_e - заряд электрона.

Рис. 12

Ширина контактного слоя уменьшится. Под действием электрического поля поток электронов из n - в р-область и поток дырок из р - в n - область увеличится, что приведет к возникновению прямого тока за счет движения основных носителей. В то же время ток не основных носителей останется неизменным, так как концентрация их не зависит от потенциального барьера n-p перехода.

Если приложить к n-p переходу внешнюю разность потенциалов U в обратном направлении, подключив к р-области отрицательный полюс источника напряжения, а к n-области - положительный (рис. 12), то под действием этой разности потенциалов потенциальный барьер n-p перехода повысится до j_рn+ q_еU, что вызовет уменьшение потока основных носителей (электронов и дырок) и соответственно уменьшение тока через контактный слой n-p перехода в прямом направлении. В итоге возникнет обратный ток, вызванный не основными носителями.

Плотность тока через n-p переход находят по формуле

, (9)

где j_S - плотность тока насыщения; знак “+” соответствует прямому току, знак “-“ - обратному току. При внешней разности потенциалов в

Рис. 13

обратном направлении и с увеличением ее величина ® 0, а величина плотности обратного тока стремится к предельному значению j_S, которая практически достигается при разности потенциалов U » 0,1 В.

Величина тока насыщения определяется потоком не основных носителей через n-p переход.

Например, для германиевых n-p переходов

j_S »10^-2 A/м².

При Т = 300 К отношение прямого тока к обратному составляет » 10⁹, т. е. n-p переход обладает односторонней проводимостью, что характеризует хорошие выпрямляющие свойства n-p перехода. На рис. 13 приведен график вольтамперной характеристики n-p перехода.

Кроме диодов существует много типов транзисторов, например, биполярный транзистор, представляющий собой кристалл с двумя р – n переходами, расстояние между которыми много меньше диффузионной длины неравновесных носителей, используется как усилитель электрического сигнала, применяется в интегральных микросхемах.

4. Электрический ток в вакууме

При любой температуре электроны в металлах совершают тепловые хаотические движения. Некоторые из них могут покинуть металл. Чтобы покинуть металл, электрон должен совершить некоторую работу, называемую работой выхода. Согласно зонной теории проводимости твердых тел работа выхода отсчитывается от уровня Ферми до поверхности металла с вакуумом. После того как электрон выйдет из металла в вакуум, он индуцирует на поверхности его заряды противоположного знака. Поэтому между электроном и поверхностью возникает кулоновская сила притяжения, стремящаяся вернуть его обратно. Некоторые из электронов могут удалиться от поверхности на расстояние порядка ~10^-10 м, образуя электронное облако. В результате возникает двойной электрический слой подобно электрическому полю конденсатора. На преодоление электрического поля этого слоя и требуется совершение электроном работы выхода. При повышении температуры металла (или другого вещества) кинетическая энергия теплового движения электронов, находящихся вблизи уровня Ферми, увеличивается. Поэтому возрастает вероятность того, что некоторые из электронов могут преодолеть задерживающий потенциал на границе металл - вакуум и выходить из него. Если в вакууме существует электрическое поле, вектор напряженности которого направлен к поверхности металла, то оно будет увеличивать число электронов, покидающих металл, и через вакуум потечет электрический ток. Такой ток называют термоэлектронным, а явление испускания электронов нагретыми металлами - термоэлектронной эмиссией. В зависимости от механизма получения электронами энергии, достаточной для совершения работы выхода, различают несколько видов электронной эмиссии: термоэлектронную, фотоэлектронную (внешний фотоэффект), вторичную электронную эмиссию, ионно-электронную, автоэлектронную. Термоэлектронную эмиссию можно наблюдать в установке с вакуумным диодом, представляющей собой стеклянный баллон, в который впаяны два электрода: катод в виде нити и анод.

На рис. 14 приведена вольт - амперная характеристика такого диода, где I_S - ток насыщения, когда все испускаемые катодом электроны достигают анода. Плотность термоэлектрического тока насыщения зависит от материала катода, увеличивается с повышением его температуры и описывается формулой Ричардсона - Дешмана:

Рис. 14

(10)

где В - константа; А_В - работа выхода; k - постоянная Больцмана.

Если пользоваться моделью идеального электронного газа, который подчиняется статистике Ферми-Дирака, то константа

одинакова для всех металлов.

На участке АБ плотность тока описывается формулой Богуславского - Ленгмюра: (11)

где С = ; - расстояние между анодом и катодом; U - приложенное напряжение; m - масса электрона.

Для увеличения срока работы используют катоды с косвенным подогревом и оксидным покрытием веществами, у которых работа выхода электронов меньше. Например, ВаО и SrO и СаО и др.