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 Евнзап, 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: 2094;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.007 сек.