Электронно-дырочный переход

Работа большинства различных полупроводниковых приборов основана на явлениях, возникающих в контакте между областями полупроводника с разным типом проводимости. Электронно-дырочный (n - p) переход – это граница между двумя областями монокристалла полупроводника, одна из которых имеет проводимость n -типа, а другая – p -типа.

В месте контакта полупроводников p - и n -типа подвижные носители заряда под действием градиента концентраций диффундируют из одной области полупроводника в другую (дырки из p -области в n -область, а электроны – в противоположном направлении). В результате диффузии в прилегающем к контакту слое дырочной области полупроводника образуется отрицательный пространственный заряд ионизированных атомов акцепторов, а в приконтактном слое электронной области – положительный пространственный заряд ионизированных атомов доноров. Неподвижные носители заряда – положительные и отрицательные ионы (на рис. 1.5, а они обозначены “+” и “–“) – создают электрическое поле, препятствующее дальнейшей диффузии через p - n -переход основных носителей заряда, что приводит, в конце концов, к динамическому равновесию, когда диффузионный ток (ток основных носителей заряда) и направленный ему встречно дрейфовый ток (ток неосновных носителей заряда) становятся равными. Поскольку в p - n- переходе подвижные носители заряда – дырки и электроны – практически отсутствуют, сопротивление этого слоя (на рис. 1.5, а он показан пунктиром) очень велико и близко к сопротивлению диэлектрика.

С точки зрения зонной теории указанные свойства p - n- перехода можно объяснить следующим образом. Поскольку уровень Ферми в полупроводнике n -типа расположен ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике p -типа – к валентной зоне и поскольку уровень Ферми () одинаков во всех частях равновесной системы, в месте контакта полупроводников с разным типом проводимости неизбежно возникает искривление зон (рис. 1.5, б), в результате чего образуется разность потенциалов (потенциальный барьер). Если электроны уподобить шарикам, а дырки – поплавкам, то зонная диаграмма позволяет образно интерпретировать действие потенциального барьера.

Рассмотрим теперь p - n- переход в неравновесном состоянии, когда к нему приложено внешнее напряжение и через него протекает ток. Чтобы к полупроводнику подключить внешний источник напряжения, необходимо организовать невыпрямляющие (омические) контакты между областями полупроводника и металлическими площадками, к которым присоединяются металлические выводы. Для этого непосредственно под металлической площадкой создается полупроводник с высокой концентрацией примеси, т.е. обогащенный слой типа или соответственно (рис. 1.6).

Если к p -области полупроводника подключить плюс источника напряжения (рис. 1.6, а), а к n -области – минус (прямое напряжение ), то под действием внешнего электрического поля основные носители заряда переместятся по направлению к p - n- переходу, скомпенсировав на периферии пространственный заряд ионов, в результате чего переход сузится и уменьшится высота потенциального барьера. На зонной диаграмме уменьшение высоты потенциального барьера можно объяснить тем, что в неравновесном состоянии уровень Ферми не будет единым для разных слоев полупроводника. Поскольку потенциальный барьер уменьшится, через p - n- переход потечет прямой ток основных носителей заряда (диффузионный ток). На зонной диаграмме увеличение тока основных носителей заряда объясняется уменьшением высоты “горки” для электронов-шариков и глубины погружения для дырок-поплавков.

При обратной полярности внешнего источника напряжения ( на рис. 1.6, б) основные подвижные носители заряда будут оттянуты от p - n- перехода, в результате чего увеличится количество ионов, расширится p - n- переход и возрастет потенциальный барьер, что приведет к прекращению движения основных носителей заряда через p - n- переход. Для неосновных носителей заряда (электронов в p -области и дырок в n -области – на рис. 1.5 и 1.6 они не показаны) электрическое поле пространственного заряда (потенциальный барьер) не является препятствием (электроны-шарики легко скатываются с “горки”, а дырки-поплавки всплывают из глубины). Поэтому через p - n- переход будет протекать очень небольшой обратный ток неосновных носителей заряда (дрейфовый ток), который практически не зависит от величины приложенного обратного напряжения. Ток называют тепловым током, поскольку он сильно зависит от температуры (для кремния приращение температуры на 5…7 градусов вызывает удвоение тока ).

Зависимость тока через p - n- переход от приложенного к нему напряжения (вольт-амперная характеристика) имеет следующий вид:

, (1.1)

где – температурный потенциал ( при ); k – постоянная Больцмана; q – заряд электрона.

Выражение (1.1) описывает реальную вольт-амперную характеристику (ВАХ) p - n- перехода (рис. 1.7) до напряжения пробоя , при достижении которого имеет место электрический пробой, когда наблюдается резкий рост обратного тока через p - n- переход при незначительном увеличении напряжения внешнего источника (участок 2–3 ВАХ). Если этот ток не ограничивать, то электрический пробой переходит в тепловой (участок ВАХ ниже точки 3), при котором увеличение тока обусловлено термогенерацией носителей заряда, вызванной, в свою очередь, дополнительным нагревом полупроводника под действием тока этих носителей заряда. При тепловом пробое увеличение тока сопровождается падением напряжения на p - n- переходе (предполагается, что последовательно с p - n- переходом во внешней цепи включен резистор). Тепловой пробой – это необрати­мый процесс, который заканчивается тепловым разрушением p - n- перехода.

В отличие от теплового электрический пробой – обратимый процесс, если ток в цепи p - n- перехода ограничить на безопасном уровне, включив последовательно с ним резистор.

Электрический пробой бывает двух видов: лавинный и туннельный. При лавинном пробое происходит ударная ионизация нейтральных атомов полупроводника в области p - n- перехода, когда электроны, ускоренные достаточно сильным электрическим полем, “выбивают” из нейтральных атомов новые свободные электроны, которые, в свою очередь, становятся участниками процесса “размножения” подвижных носителей заряда. В основе туннельного пробоя лежит туннель­ный эффект, характеризующийся тем, что электроны из области полупроводника одного типа могут переходить в область полупроводника другого типа, не преодолевая потенциального барьера, если расстояние между зоной проводимости n -области и валентной зоной p -области небольшое.

Прямая ветвь ВАХ p - n- перехода без учета остальных областей полупроводника имеет экспоненциальный характер. Поскольку на этом участке ВАХ напряжение мало меняется при значительном изменении тока через p - n- переход, прямую ветвь характеризуют параметром – напряже­нием открывания p - n- перехода ( в случае кремния и в случае германия).

Дата добавления: 2015-06-27