Электронно-дырочный переход и его свойства. Рабочим элементом полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является электронно-дырочный переход (p-n переход) – это тонкий приконтактный слой между

Рабочим элементом полупроводниковых приборов и интегральных микросхем является электронно-дырочный переход (p-n переход) – это тонкий приконтактный слой между двумя областями полупроводникового кристалла, одна из которых имеет электропроводность p-типа (дырочную), другая - n-типа (электронную). Переход получают в едином кристалле при легировании донорной или акцепторной примесями.

Рис.5

В p-n переходе (Рис.5), вблизи границы, происходит диффузия ОНЗ: дырок – в область «n», электронов – в область «p». При этом области вблизи границы обедняются ОНЗ и заряжаются: область «p» - отрицательно, область «n» – положительно. Таким образом, на границе раздела областей образуется переходный слой из противоположных по знаку пространственных зарядов – толщина его не превышает десятых долей микрометра. Между областями устанавливается разность потенциалов, которая называется контактной. U_кн = 0,3 – 0,4В (для германия) и 0,7- 0,8В (для кремния), т.е. создается электрическое поле, которое препятствует дальнейшей диффузии ОНЗ в соседние области, или, иначе сказать, устанавливается потенциальный барьер, который содержит малое количество носителей заряда и обладает высоким электрическим сопротивлением, поэтому называется запирающим слоем.

Ширина этого слоя зависит от концентрации примесей, диэлектрической проницаемости вещества, контактной разности потенциалов.

Электрическое поле, препятствуя диффузии ОНЗ, способствует переходу ННЗ в соседние области: электронов из p -области в n -область и дырок из n -области в p -область.

Электрический ток, создаваемый ННЗ, называется тепловым и состоит из двух составляющих: электронной I_оn, дырочной I_op, т.е. I_о = I_оn + I_оp. Так как ННЗ мало, то и образуемый ими ток невелик. Его величина не зависит от напряжения на переходе и является током насыщения ННЗ.

Диффузия ОНЗ в переходе вызывает ток диффузии, направление которого совпадает с направлением диффузии дырок:

I _диф = I _pдиф + I _nдиф

Тепловой ток по своему направлению противоположен току диффузии, поэтому общий ток перехода

I _p-n = I _диф - I _o (I _диф считается положительным)

Итак, в p-n переходе возникает запирающий слой, ширина которого зависит и от приложенного напряжения.

Рассмотрим процессы, при этом происходящие: различают прямое (U_пр) и обратное (U_обр) напряжения.

Рис.6

U_пр – это такое, при котором к области «р» приложен положительный потенциал, а к области «n» - отрицательный потенциал. Это напряжение действует навстречу U_кн. Под его действием ОНЗ устремляются вглубь перехода (Рис.6), уменьшая ширину запирающего слоя, а, следовательно, и сопротивление перехода в прямом направлении, т.е. R_пр –> мало, оно составляет единицы, десятки Ом, а U_пр – десятые доли Вольта. При этом во внешней цепи возникает ток, примерно равный току диффузии: I _пр ≈ I _диф, создаваемый ОНЗ.

U_обр – это такое, при котором к области «р» приложен отрицательный потенциал, а к области «n» - положительный потенциал – при этом поле, создаваемое внешним напряжением, совпадает с полем перехода (Рис.7). Поля складываются, потенциальный барьер возрастет (U_кн + U_обр), ширина запирающего слоя увеличивается, и ток диффузии уменьшается, т.к. ОНЗ оттягиваются от перехода. Сопротивление перехода в обратном направлении R_обр увеличивается и составляет сотни Ком, Момы, U_обр – десятки, сотни Вольт, а во внешний цепи возникает ток, по величине сравнимый с тепловым, т.е.

I_обр ≈ I_о, обусловлен ННЗ.

Рис.7

Так как I_пр >> I_обр, то можно считать, что p-n переход обладает односторонней проводимостью.

U_пр

I_обр

I_пр

U_обр

I_о

Зависимость тока перехода от внешнего напряжения называется вольтамперной характеристикой p-n перехода, которая теоретически имеет вид (Рис.8):

Рис.8

Кроме сказанного об особенностях p-n перехода необходимо отметить наличие у него зарядной емкости.

Это объясняется тем, что область пространственного заряда перехода имеет двойной электрический слой: положительно заряженные доноры и отрицательно заряженные доноры акцепторы – этот слой и образует емкость, которую называют зарядной.

Ее величину можно определить по формуле плоского конденсатора, т.е.

С _зар = = C_o

где,

S_p-n – площадь перехода;

d_p-n – ширина перехода

Приведенная формула определяет емкость перехода при U_вн = 0, или C_o.

Зависимость зарядной емкости от внешнего напряжения выражается:

С _зар ≈

При подаче U_пр ширина перехода уменьшается, и зарядная емкость возрастает, а при подаче U_обр - уменьшается, т.к. ширина перехода увеличивается.

Понятие о диффузионной емкости.

Основными свойствами p-n перехода являются:

- несимметричная (односторонняя) электропроводность;

- зависимость проводимости от внешних факторов (температуры, наличия магнитных и электрических полей, излучения…)

- наличие зарядной емкости.

Контрольные вопросы:

- определение p-n перехода;

- что называется контактной разностью потенциалов?

- потенциальный барьер – это …

- определение запирающего слоя;

- чем определяется общий ток перехода?

- основные свойства перехода.

-структура p-n перехода и процессы, в нем происходящие;

- природа, направление диффузионного тока;

- природа, направление и составляющие теплового тока.

- процессы, протекающие в p-n переходе при подключении к нему U_пр;

- процессы, протекающие в p-n переходе при подключении к нему U_обр;

- ВАХ p-n перехода и ее зависимость от температуры.

Блиц - вопросы:

- определение p-n перехода;

- что называется контактной разностью потенциалов?

- потенциальный барьер – это …

- определение запирающего слоя;

- чем определяется общий ток перехода?

- основные свойства перехода;

- какое напряжение называется прямым?

- какое напряжение называется обратным?

- какое из напряжении уменьшает ширину ЗС?

- каков порядок величины прямого сопротивления?

- чем обусловлен прямой ток через переход?

- соотношение I_пр и I_{об р};

- что позволяет считать о наличии у перехода односторонней проводимости?

Дата добавления: 2015-05-06