ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА p-n ПЕРЕХОДА

Полупроводник представляет собой кристаллический материал с регулярной структурой. Заряд ядра каждого атома скомпенсирован соответствующим количеством электронов. Причем каждый электрон одновременно принадлежит двум соседним атомам, то есть его орбита охватывает ядра соседних атомов и на этой орбите находятся сразу два электрона (ковалентная связь, рис.2.1.) Поэтому полупроводник электрически нейтрален и практически не проводит ток.

Если в чистый полупроводник добавить некоторое количество примеси, например, материала, валентность которого выше валентности исходного материала, то атомы примеси, встраиваясь в кристаллическую решетку исходного материала, порождают лишний электрон, для которого нет места в структуре ковалентных связей, способный свободно перемещаться по телу полупроводника. Сам атом остается неподвижным положительным зарядом. Материал приобретает так называемую электронную или n проводимость. Если валентность примеси меньше валентности исходного полупроводника, то наоборот возникает недостаток электронов (одна ковалентная связь не заполнена) и атомы приобретают положительный заряд, способный перемещаться по материалу, образуя так называемую дырочную или p проводимость. Таким образом, введение примеси создает в полупроводнике некоторый избыток положительных или отрицательных носителей заряда, способных свободно перемещаться по материалу. Полупроводник становится электропроводным.

Рис.2.1. Структура кристалла кремния (валентность 4)

p-n или электронно-дырочным переходом называется контакт двух полупроводников, обладающих проводимостью различного типа.

Рис.2.2. Образование p-n перехода.

При контакте двух областей, так как концентрация электронов в области значительно выше, чем в области, часть электронов из слоя диффундируют в слой, в котором рекомбинирует со свободными дырками области. В результате на границе контакта в p слое возникает дополнительный заряд, препятствующий дальнейшей диффузии электронов из слоя в слой. Аналогично ведут себя и дырки слоя (рис.2.2).

Область полученного таким образом пространственного заряда и является, собственно p-n переходом.

Рассмотрим поведение p-n перехода при подключении его к внешнему источнику напряжения (рис.2.3). Подключение положительного напряжения к p области полупроводника приводит к повышению концентрации дырок в этой области. Повышается концентрация электронов и в n области. Избыточная концентрация носителей заряда приводит к усилению взаимной диффузии носителей в соседние области и в p-n переходе начинает протекать ток, называемый прямым ( ).

а)

б)

Рис.2.3. pn - переход при внешнем напряжении

Обратная полярность внешнего напряжения наоборот приводит к снижению концентраций носителей в областях полупроводника. При этом ток перехода равен току , обусловленному собственной генерацией носителей в полупроводнике под воздействием температуры. Из-за малости этого тока можно полагать, что обратный ток практически отсутствует. Таким образом, основным свойством p-n перехода является его односторонняя проводимость. Отметим, что приложение внешнего напряжения приводит к изменению ширины самого p-n перехода.

Зависимость тока диода от приложенного напряжения в идеальном случае описывается выражением:

, (2.1)

где: - тепловой ток, обусловленный генерацией носителей в полупроводнике;

- температурный потенциал, равный при температуре 300⁰К 25 мВ.