Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную электропроводность.
Электропроводность полупроводников, образование и свойства p-n-перехода
Количество известных в настоящее время полупроводниковых материалов довольно велико. Для изготовления полупроводниковых приборов применяются простые полупроводниковые вещества – германий, кремний, селен – и сложные полупроводниковые материалы – арсенид галлия, фосфид галлия и др. Значение удельного электрического сопротивления в чистых полупроводниковых материалах лежат в диапазоне от 0.65 Ом·м (германий) до 108 Ом·м (селен).Некоторые данные о свойствах чистых полупроводниковых материалов приведены в Приложениях (см. табл.ПI).
В чистых полупроводниках концентрация носителя заряда – свободных электронов и дырок – составляет лишь 1016-1018 на 1 см3 вещества. Для снижения удельного сопротивления полупроводника и придания ему определенного типа электропроводности – электроннойпри преобладании свободных электронов или дырочнойпри преобладании дырок – в чистые полупроводники вносят определенные примеси.Такой процесс называют легированием, а соответствующие полупроводниковые материалы — легированными.
В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д. И. Менделеева. Легирующие элементы III группы создают дырочную электропроводность полупроводниковых материалов и называются акцепторнымипримесями, элементы V группы — электронную электропроводность и называются донорнымипримесями.
Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концентрации примесей. При концентрации примесей 1020—1021 на 1 см3 вещества оно может быть снижено до 5∙10-6 Ом∙м для германия и 5∙10-5 Ом∙м для кремния. Однако даже в сильнолегированных полупроводниках один атом примеси приходится на 103—104 атомов полупроводника. Некоторые свойства легированных полупроводниковых материалов указаны в табл. ПII Приложений.
Слаболегированные полупроводники используют для изготовления маломощных полупроводниковых диодов и транзисторов. В мощных и импульсных диодах, транзисторах и тиристорах применяют сильнолегированные полупроводники с малыми удельными сопротивлениями.
Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, который для краткости называют р-n-переходом.
Электронно-дырочным переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную электропроводность.
На практике р-n-переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например,
при введении донор ной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа.
Рассмотрим схематически образование p-n-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности (рис. 1.1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно (рис. 1.1, а).
При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой,
Рис. 1.2. Электронно-дырочный переход во внешнем электрическом поле:
a — к р-n-переходу приложено обратное напряжение, б — к р-n-переходу приложено прямое напряжение
лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким электрическим сопротивлением,— так называемый запирающий слой (рис. 1.1, б). Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.
Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) φк на границе полупроводников (рис. 1.1, в). Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, точно так же как дырки из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей зарядаи не препятствует движению неосновных носителей заряда.Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемый дрейфовый ток Iдр) происходит снижение контактной разности потенциалов φк, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов φк. Появляется диффузионный ток IДиф, который направлен навстречу дрейфовому току Iдр, т. е. возникает динамическое равновесие, при котором Iдр = Iдиф.
Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью ЕВН, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Езап(рис. 1.2, а), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные, и отрицательные носители заряда (дырки и электроны).
При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал — он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным,а p-n-переход— закрытым.
При противоположной полярности источника напряжения (рис. 1.2, б) внешнее электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается и при напряжении 0,3—0,5 В запирающий слой исчезает. Сопротивление р-n-перехода резко снижается, и возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называют прямым, а переход — открытым.Сопротивление открытого р-n-перехода определяется только сопротивлением полупроводника.
На рис. 1.3 показана полная вольт-амперная характеристика
открытого и закрытого р-n-переходов. Как видно, эта характеристика является существенно нелинейной. На участке 1 Eвн<Eзап и прямой ток мал. На участке 2 Евн>Езап, запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке 3запирающий слой препятствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Излом вольт-амперной характеристики в начале координат обусловлен различными масштабами тока и напряжения при прямом и обратном направлениях напряжения, приложенного к р-n-переходу. И наконец, на участке 4 происходит пробой р-n-перехода и обратный ток быстро возрастает. Это связано с тем, что при движении через р-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда — электронов и дырок, — что приводит к резкому увеличению обратного тока через р-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным.Обычно он развивается в относительно широких р-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках.
В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной ионизации. В то же время может возникать электрический пробойр-n-перехода, когда при достижении критической напряженности электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон—дырка (эффект Зенера), и существенно возрастает обратный ток перехода.
Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства р-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на р-n-переходе. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.
Если температура р-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается
|
процесс генерации пар носителей заряда. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву р-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает р-n-переход.
В сильнолегированных полупроводниковых (чаще всего на основе арсенида галлия) может возникать квантово-механический туннельный эффект, который состоит в том, что на участках 1 и 3(рис. 1.3) при очень малой толщине запирающего слоя основные
носители заряда могут преодолевать запирающий слой без изменения энергии. Такие условия выполняются в определенном диапазоне напряжений, что приводит к возрастанию тока на участке 1 прямой ветви при Uпр≤О,4 В и на участке 3 обратной ветви. Дальнейшее повышение прямого напряжения приводит к ослаблению туннельного эффекта, и при Uпр>0,4 В он совсем пропадает. Таким образом, из-за туннельного эффекта повышается ток на прямой ветви вольт-амперной характеристики р-n-перехода (1 на рис. 1.3). При этом в диапазоне 0,2≤Uпр≤О,4 В дифференциальное сопротивление отрицательно и полностью пропадает участок 3на обратной ветви характеристики р-n-перехода (рис. 1.3).
Закрытый р-n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя. При увеличении обратного напряжения ширина р-n-перехода возрастает и емкость С р-n-перехода уменьшается. Зависимость емкости закрытого р-n-перехода от обратного напряжения показана на рис. 1.4. Свойства чистых и легированных полупроводников и характеристики р-n-перехода широко используют в двухэлектродных полупроводниковых приборах — полупроводниковых резисторах и диодах.В более сложных приборах — транзисторахи тиристорах— используют электрические характеристики, определяемые взаимодействием нескольких р-n-переходов.
§ 1.2. Классификация полупроводниковых приборов
Дата добавления: 2016-04-06; просмотров: 2033;