ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии
внешнего напряжения

Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n-переход, – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности (одна – n-типа, другая – р-типа). Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Наряду с p-n-переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл-полупроводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (n-n⁺-переход) и дырочно-дырочный (р-р⁺-переход). Знак «плюс» относится к слою с большей концентрацией основных носителей заряда.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается p-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область) (рис. 2.1, а).

Рис. 2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения: а – двухслойная р-n-структура полупроводника; б – распределение концентраций носителей заряда; в – распределение неподвижных объемных зарядов доноров (+) и акцепторов (-); г – потенциальный барьер в p-n-переходе

p_p = n_n,

где p_p– концентрация дырок в р-области; n_n– концентрация электронов в n-области. Такой p-n-переход называют симметричным

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация, которых значительно меньше, чем основных:

p_n << n_n и n_p << p_p,

где p_n – концентрация дырок в n-области;n_p – концентрация электронов в р-области.

Из распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структуре (рис. 2.1, 6) видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой – неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n-области значительно больше, чем в р-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны – из n-области в р-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере продвижения дырок вглубь их концентрация уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация электронов уменьшается.

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела p-и n-областей создает ток диффузии в p-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

I_диф = I_{p диф} + I_{n диф}.

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси:

· уход электронов – положительный заряд ионов доноров в n-области;

· уход дырок – отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис. 2.1, а, в).

Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака.

В результате образования по обе стороны границы между р-и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в p-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальнымбарьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера (j), измеряемой в электрон-вольтах (рис. 2.1, г). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где «выступили» неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно p-n-переход. Из него уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем или областью пространственного заряда (ОПЗ). Он обладает большим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через p-n-переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в p-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

I_др = I_рдр + I_nдр.

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока(I_т), поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому:

I_диф = I_др,

т.е. ток через p-n-переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера j₀.

Установившаяся высота потенциального барьера (j₀) в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов (U_к) в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы:

j₀ = U_к.

Величина j₀ зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается, с увеличением концентрации примеси и ширины запрещенной зоны потенциальный барьер возрастает.

В состоянии равновесия p-n переход характеризуется также шириной (l₀).

Рассмотренный симметричный p-n-переход имеет одинаковую ширину частей запирающего слоя по обе стороны границы раздела. На практике чаще встречаются структуры с неодинаковой концентрацией донорной и акцепторной примесей. В этом случае p-n-переход называют несимметричным.

В несимметричном p-n-переходе концентрация примеси в одной из областей на два-три порядка больше, чем в другой. В области с малой концентрацией примеси ширина части запирающего слоя соответственно на два-три, порядка больше, чем в области с высокой концентрацией примеси.

2.2. Электронно-дырочный переход
при прямом напряжении

При подаче на p-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности. Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области (рис. 2.2, а), а минусом к n-области, называют прямым напряжением(U_пр). Напряжение U_пр почти полностью падает на p-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.

Полярность внешнего напряжения (U_nр)противоположна полярности контактной разности потенциалов (U_к), поэтому электрическое поле, созданное на p-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на p-n-переходе (рис. 2.2, б):

j = U_{к –} U_nр.

Вследствие разности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n- и p-областях основные носители заряда диффундируют через p-n-переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через p-n-переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к p-n-переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая, таким образом, ширину (l)обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления p-n-перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока U_nр < U_к, еще существует потенциальный барьер. Обедненный носителями заряда слой p-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.

При увеличении внешнего прямого напряжения до U_к = U_nр потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя p-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через p-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током(I_пр), который с увеличением прямого напряжения растет.

Рис. 2.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении: а – схема включения; б – потенциальный барьер

Инжектированные в n-область дырки и в р-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области; например, инжектированные в n-область дырки компенсируются электронами. В результате этой компенсации объемных зарядов, создаваемых у p-n перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным.

Движение основных носителей заряда через p-n-переход создает электрический ток во внешней цепи. Уход электронов из n-области к p-n-переходу и далее в р-область и исчезновение их в результате рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника питания. Соответственно, убыль дырок в р-области, ушедших к p-n-переходу и исчезнувших при рекомбинации, пополняется за счет ухода электронов из ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу источника питания.

Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате инжекции в области с противоположным типом электропроводности, например дырки, инжектированные из р-области в n-область, продолжают движение от границы вглубь. Это движение происходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводнике, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает вблизи p-n-перехода, а дрейф – вдали от него, внутри соответствующей области. На определенном расстоянии от p-n-перехода концентрация инжектированных неосновных носителей заряда убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге концентрация неосновных носителей остается такой, какой была в равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения, т.е. обусловленной собственной электропроводностью полупроводника. Дрейф неосновных носителей заряда в сторону от p-n-перехода внутрь области создает тепловой ток (I_т). Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т.е. прямого тока (I_пр), и имеет противоположное ему направление.

Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, но направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда – дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.

Мы рассмотрели процессы в симметричном p-n-переходе. В используемых на практике несимметричных p-n-переходах, имеющих неодинаковые концентрации акцепторов и доноров, инжекция носит односторонний характер. Например, если концентрация дырок в p-области на несколько порядков превышает концентрацию электронов в n-области (p_p >> n_n), то диффузия дырок в n-область будет несоизмеримо больше диффузии электронов в р-область. В этом случае можно говорить об односторонней инжекции дырок в n-область, а диффузионный ток через p-n-переход считать дырочным, пренебрегая его электронной составляющей. Таким образом, в несимметричном p-n-переходе носители заряда инжектируются из низкоомной области в высокоомную, для которой они являются неосновными.

При несимметричном p-n-переходе область полупроводника с малым удельным сопротивлением (большой концентрацией примеси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером, а область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, – базой.