В полупроводниках с различными типами электропроводности

до соприкосновения (а); после соприкосновения (б)

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, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий вы­соким удельным сопротивлением, - так называемый запи­рающий слой (рис. 80 б). Толщина запирающего слоя l 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 ∆φ_к на границе полупроводников (рис. 81). Возникшая разность потенциалов создает в запи­рающем слое электрическое поле напряженностью Е_зап, препятствующее как переходу электронов из полупровод­ника n-типа в полупроводник р-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника р-типа в полупро­водник n-типа, как и дырки из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа. Таким образом, контактная раз­ность потенциалов препятствует движению основных но­сителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через р-п-переход неосновных носителей {дрейфовый ток I_др) происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих доста­точной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обу­словленный контактной разностью потенциалов. Появля­ется диффузионный ток 1_диф, который направлен навстречу дрейфовому току 1_др, то есть возникает динамическое рав­новесие, при котором 1_др= 1_диф.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряже­ние U_обр, которое создает в запирающем слое электриче­ское поле напряженностью Е_вн, совпадающее по направле­нию с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап (рис. 82 а), то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал, так как обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным I_обр а р-п-переход - закрытым.

При противоположной полярности источника на­пряжения (рис. 82 б) внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запираю­щего слоя уменьшается. Сопротивление р-п-перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым 1_пр, а р-п-переход - открытым.

Рис. 82. p-n-переход во внешнем электрическом поле:

а) к p-n-переходу приложено обратное напряжение;

б) к p-n-переходу приложено прямое напряжение

На рис. 83 показана вольт-амперная характеристи­ка p-n-перехода. Пробой p-n-перехода связан с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупровод­ника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению об­ратного тока через p-n-переход при почти неизменном об­ратном напряжении. Этот вид электрического пробоя на­зывают лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболеги­рованных полупроводниках.

Рис. 83. Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникнове­нию лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной иониза­ции. В таких полупроводниках возможно возникновение эффекта Зенера, когда при достижении критической на­пряженности электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон - дыр­ка, и существенно возрастает обратный ток р-п-перехода.

Для электрического пробоя характерна обрати­мость, заключающаяся в том, что первоначальные свойст­ва p-n-перехода полностью восстанавливаются, если сни­зить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому элек­трический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Если температура p-n-перехода возрастает в ре­зультате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носи­телей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает р-п-переход,

В сильнолегированных полупроводниках может возникать квантово-механический туннельный эффект, который состоит в том, что при очень малой толщине за­пирающего слоя основные носители могут преодолевать запирающий слой без изменения энергии, что приводит к возрастанию тока на этих участках.

Закрытый p-n-переход обладает -электрической ем­костью, которая зависит от его площади и ширины, а так­же от диэлектрической проницаемости запирающего слоя.

Свойства p-n-перехода широко используются в по­лупроводниковых приборах.

Дата добавления: 2015-05-06