P-N структуры

Если соединить полупроводники с разными типами проводимости, например, сплавить так, чтобы не нарушилась кристаллическая структура, то между p и n областями будет существенно разной концентрация соответствующих носителей. Дырок будет больше в p-полупроводнике (там они - основные носители) и мало в n-структуре, где они являются неосновными носителями, для электронов ситуация будет противоположной.

Рис.1.12. Распределение носителей в p-n-структуре.

На рис. 1.12 приняты обозначения n_n, p_n – концентрации электронов и дырок в n-полупроводнике, n_p, p_p – их концентрации в p-структуре. Вследствие разности концентраций начнется диффузия (перемещение) электронов в p область, а дырок - в n-полупроводник. Так как электроны и дырки представляют собой заряженные частицы, то их перемещение вызовет появление нескомпенсированного положительного заряда в n-полупроводнике и такого же по величине, но отрицательного заряда в p-слое. Между образовавшимися зарядами возникает контактная разность потенциалов U_к, то есть электрическое поле, которое будет препятствовать диффузионному переходу основных носителей. Величина этого поля (потенциальный барьер) установится таким, что диффузионный ток прекратится. Однако кроме основных носителей в полупроводниках в небольшом количестве имеются и неосновные. Контактная разность потенциалов будет вызывать их перемещение (дрейф), в направлениях, противоположных движению основных носителей вследствие диффузии. Переход через границу раздела слоев полупроводника пары неосновных носителей вызовет снижение потенциального барьера и позволит перейти в обратную сторону паре основных. Такие процессы происходят непрерывно и поэтому в установившемся режиме при отсутствии внешнего электрического поля через границу раздела в противоположных направлениях протекают равные диффузионный и дрейфовый токи. Суммарный ток через границу раздела равен нулю и в целом такая система будет электрически нейтральна.

Оставшиеся на границе раздела основные носители привязаны к атомам. Поэтому там образуется зона с очень малой концентрацией свободных носителей или обедненный (высокоомный) слой, который называется p-n переходом. Толщина (или ширина) этого перехода лежит в пределах от сотых долей до единиц микрон и зависит от степени легирования исходных полупроводников. Чем больше примесей введено, тем будет уже p-n переход, так как заряды, необходимые для образования контактной разности потенциалов, будут выведены из меньшего объема полупроводника. Величина потенциального барьера составляет десятые доли вольта и зависит от свойств материалов, из которых изготавливается p-n структура. Иногда область p-n перехода называется запирающим слоем. Ее проводимость оказывается близкой к проводимости собственного полупроводника.

Предположим, что на p-n структуру подано внешнее напряжение, а именно: положительный полюс источника соединен с внешним краем p-полупроводника, а отрицательный - с n-полупроводником, как показано на рис. 1.13.

Рис.1.13. p-n – структура с приложенным внешним

прямым напряжением.

Направление поля внешнего источника при этом будет противоположно направлению внутреннего поля контактной разности потенциалов. Напряжение такой полярности называется прямым или отпирающим. В данной ситуации высота потенциального барьера p-n перехода снижается, что приводит к уменьшению дрейфового тока и росту диффузионного, так как в этом случае большее число основных носителей оказывается способным преодолеть пониженный потенциальный барьер. Дырки и электроны как-бы подталкиваются внешним полем от краев полупроводниковых слоев к области p-n перехода, при этом происходит компенсация объемного заряда и снижение потенциального барьера.

Наличие внешнего прямого напряжения приводит к нарушению динамического равновесия между диффузионной и дрейфовой составляющими токов через p-n переход. Диффузионный ток становится больше дрейфового и , то есть через p-n переход потечет ток, в основном обусловленный диффузией дырок в n-область и электронов - в p-полупроводник, причем много больше дрейфовой составляющей и .

Под действием внешнего прямого напряжения происходит как бы принудительное введение (впрыскивание) в соответствующие области полупроводника носителей, которые являются для них неосновными. Этот процесс называется инжекцией. Область полупроводника, которая инжектирует носители, является эмиттером, а область, в которую они попадают - базой. Таким образом, если рассматривать инжекцию электронов, то n-полупроводник будет эмиттером, а p-слой – базой. Для дырок все будет наоборот. Однако, обычно концентрации примесей (степень легирования) в p и n областях полупроводника различны и если n_n>>p_p, то инжекцией дырок можно пренебречь. В таком случае понятия эмиттер и база станут трактоваться однозначно.

При увеличении прямого напряжения высота потенциального барьера будет уменьшаться, а ток через p-n переход возрастать. Зависимость тока от напряжения в этом случае определяется соотношением

, ,

где – так называемый ток насыщения или тепловой ток, практически равный дрейфовому току неосновных носителей, который очень мал, – заряд электрона, – постоянная Больцмана, – приложенное прямое напряжение, – абсолютная температура. Часто отношение называют температурным потенциалом . При T = 300°K его величина - порядка 25 мВ.

Поскольку высота потенциального барьера составляет десятые доли вольта, то для его значительного понижения и, соответственно получения больших прямых токов, достаточно прямых напряжений того же порядка. Увеличение прямого тока можно представить как результат уменьшение сопротивления p-n перехода (обедненной носителями области), за счет сокращения его толщины. В первом приближении считают, что при некоторой величине p-n переход исчезает, при этом сопротивление структуры будет равно сопротивлению p и n областей.

Если изменить полярность внешнего напряжения (положительный потенциал подать на n-полупроводник, а отрицательный - на p рис. 1.14), то такое напряжение будет называться запирающим, или обратным.

Рис.1.14. p-n – структура с приложенным внешним

обратным напряжением.

В этом случае полярность внешнего напряжения совпадет с направлением поля p-n перехода и высота потенциального барьера увеличится. Преодолеть его основным носителям (для данного типа полупроводника) станет еще сложнее, чем раньше. Это приведет к практически полному прекращению диффузионного тока уже при небольших величинах U_обр. Ток через переход в этом случае определяется дрейфовой составляющей, так как суммарное поле будет вытягивать дырки из n - области и электроны из p - области. Такой процесс называется экстракцией. Обратный ток через p-n переход будет очень мал, так как он определяется концентрацией неосновных носителей в p и n полупроводниках.

Величина обратного тока через p-n переход описывается соотношением, аналогичным приведенному для прямого тока, но вместо U_пр в показателе экспоненты будет U_обр со знаком минус

.

При обратном напряжения в несколько десятых долей вольта практически все неосновные носители начинают участвовать в переносе тока и, с дальнейшим ростом U_обр его возрастание прекращается, наступает насыщение. Величина этого тока и обозначается как .

Дата добавления: 2014-01-06