Электронно-дырочный переход

Область внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности называют электронно-дырочным переходом или p-n-переходом.

Такие переходы изготовляют сложными технологическими приемами путем внесения примеси определенного типа (например, n-типа) в полупроводник с незначительным количеством примеси противоположного типа (р-типа). Свойства р-n-перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Предположим для простоты, что р-n-переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников р- и n-типов и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р-типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов равна концентрации свободных дырок, а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров равна концентрации свободных электронов. Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей.

При соприкосновении областей р- и n-типов происходит диффузия дырок в область n-типа и электронов – в область р-типа.

Как только дырка покинет область р-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси (рис. 3.1). Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют p-n-переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р-и n-типов. Часто этот слой называют запирающим.

Объемные заряды на границе раздела создают электрическое поле р-n-перехода. Это поле направлено от области n-типа к области р-типа. Оно является тормозящим для основных носителей и препятствует их дальнейшему диффузионному перемещению через р-n-переход. На рис.3.1 показано изменение потенциала поля вдоль оси х, перпендикулярной плоскости перехода, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Из рисунка видно, что в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, равный контактной разности потенциалов, которую называют высотой потенциального барьера.

Перемещение основных носителей заряда через р-n-переход образует диффузионный ток. Движение неосновных носителей через р-n-переход определяет дрейфовый ток. Эти токи направлены в противоположные стороны.

Прямое включение р-n-перехода. Если источник напряжения подключить знаком плюс к области р-типа, а знаком минус к области n-типа, то получим включение, которое называют прямым (рис.3.2). Противоположное включение называют обратным. Электрическое поле источника напряжения направлено навстречу контактному полю, поэтому напряженность результирующего поля уменьшается, что вызывает снижение высоты потенциального барьера на значение прямого напряжения источника. При этом увеличивается число основны,х носителей заряда через р-n-переход, т.е. усиливается диффузионный ток. Даже небольшое напряжение, приложенное к р-n-переходу, вызывает большой ток, так как потенциальный барьер невелик (0,35 В в германиевом и 0,6 В в кремниевом р-n-переходах). В результате действия внешнего поля в прямом направлении в области р-n-перехода происходит перераспределение концентрации носителей заряда. Дырки р-области и электроны n-области диффундируют в глубь р-n-перехода и рекомбинируют там. Ширина перехода при этом уменьшается, вследствие чего снижается сопротивление запирающего слоя.

Обратное включение р-n-перехода. (рис.3.3) Потенциальный барьер р-n-перехода повышается на величину обратного напряжения источника. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению числа основных носителей заряда, способных преодолеть потенциальный барьер, т.е. к снижению диффузионного тока. Ток при обратном включении р-n-перехода называют об ратным током. При некотором значении обратного напряжения диффузионный ток станет равным нулю. Для неосновных носителей заряда поле р- n-перехода является ускоряющим, поэтому дырки области n из прилегающих к р-n-переходу слоев дрейфуют в область р-типа, а электроны области р – в область n-типа. Через р-n-переход протекает только дрейфовый ток. Он мал, поскольку мала концентрация неосновных носителей заряда в обеих областях и высоко сопротивление р-n-перехода. Так как концентрация неосновных носителей заряда определяется тепловой генерацией, ток, образованный ими, называют тепловым. Увеличение потенциального барьера приводит к возрастанию ширины р-n-перехода. Это вызывает повышение сопротивления запирающего слоя.

Таким образом, обратный ток р-n-перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет вентильные свойства р-n-перехода, т.е. способность проводить ток только в одном направлении.

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода. Зависимость тока через р-n-переход от приложенного к нему напряжения называют вольт-амперной характеристикой р-n-перехода. Она описывается уравнением

I=I₀(e^±qU/(kT) – 1),

где U - напряжение внешнего источника;

k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура;

I₀- тепловой ток;

q - заряд электрона.

Если р-n-переход включен в прямом направлении напряжение берут со знаком плюс, если в обратном – со знаком минус. При комнатной температуре кТ ≈ 0,025 эВ. Если прямое напряжение U ≥ 0,1 В, то можно считать, что прямой ток растет с повышением напряжения экспоненциально. Если обратное напряжение U = - 0,1 В (или по аб­солютному значению больше), то можно считать, что обратный ток равен тепловому. Таким образом, рост обратного тока при значи­тельном повышении напряжения (до определенного предела) почти прекращается, наступает как бы его насыщение. Поэтому тепловой ток I₀ называют также током насыщения.

Рис.3.4. Вольт-амперная характеристика p – n перехода

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода показана на рис.3.4. При повышении температуры прямой ток через р-n-переход незначительно увеличивается. На обратный ток повышение температуры влияет существенно, поскольку он зависит от концентрации неосновных носителей заряда, которая при повышении температуры экспоненциально возрастает.

Пробой р – n - перехода. Резкое возрастание обратного тока, наступающее даже при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения, называют пробоем перехода. Природа пробоя может быть различной: он может быть электрическим, при котором р-n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность, и тепловым, при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника. Электрический пробой связан со значительным увеличением напряженности электрического поля в р-n-переходе (более 10 В/см). Различают два типа электрического пробоя. В полупроводниках с узким р-n-переходом возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затраты энергии ("туннелировать" через р-n-переход). Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В).

В полупроводниках с широким р-n-переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов р-n-перехода: носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинетическую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решетки полупроводника выбить из ковалентных связей электроны. Образовавшаяся при этом пара свободных носителей заряда "электрон - дырка" тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

Тепловой пробой возникает тогда, когда мощность, выделяемая в p – n переходе при прохождении через него обратного тока, превышает мощность, которую способен рассеять p – n переход. Происходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой p – n перехода.

Дата добавления: 2015-05-06