Электронно-дырочный переход и его свойства

Электронно-дырочным переходом (р-п -переходом) называют тонкий слой между двумя областями полупроводникового кристалла, одна из которых имеет электронную, а другая – дырочную электропроводность.

Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление, диффузия одного вещества в другое, эпитаксия (ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого) и др. Для изготовления сплавного р-п -перехода, например, в полупроводнике n -типа, на поверхности полупроводниковой пластинки укрепляют небольшую «таблетку» элемента III группы и помещают в печь, где происходит ее нагрев до температуры ниже точки плавления полупроводника, но выше точки плавления примеси. В результате этого происходит вплавление в определенную область кристалла акцепторной примеси и формирование р-п -перехода. Для изготовления диффузионного р-п -перехода сначала полупроводниковую пластинку с защитным окисным слоем предварительно обрабатывают, создавая «окна» заданной конфигурации на ее поверхности, а затем через них проводят диффузию примесей.

По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными (п_п = р_р) и несимметричными (п_п >> p_p или п_п << р_р, при этом концентрации основных носителей отличаются в 100... 1000 раз), резкими и плавными, плоско­стными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом – не пропускает.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рисунке 3. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (п -область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (р -область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Рисунок 3

Сразу после создания р - п -перехода при отсутствии внешнего электрического поля электроны из п -области стремятся проникнуть в р -область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из р -области перемещаются в п -область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток р - п -перехода. Электроны, перешедшие в р -область, рекомбинируют с дырками, в результате чего в р -области вблизи границы раздела двух типов полупроводников появятся отрицательно заряженные неподвижные ионы акцепторной примеси. В свою очередь, уход электронов из п -области приводит к появлению в приконтактной части п -области нескомпенсированных положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси.

Аналогично описанному выше, диффузионное перемещение дырок из р -области в п -область создает такие же неподвижные положительные и отрицательные ионы вблизи границы раздела двух типов полупроводников в п -области и р -области. Однако, учитывая то, что в несимметричном р - п -переходе концентрация дырок гораздо меньше концентрации электронов, их перемещением можно пренебречь.

Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает в области р - п -перехода объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля (Е_собст. на рисунке 3). Вектор этого поля направлен таким образом, что оно препятствует дальнейшему диффузионному движению основных носителей зарядов. Вместе с тем возникшее в р - п -переходе поле не препятствует движению неосновных носителей через переход, так как для них оно будет ускоряющим. Неосновные носители создают дрейфовый ток р - п -перехода.

Через короткий промежуток времени при отсутствии внешнего электрического поля на р-п -переходе устанавливается динамическое равновесие, он становится электрически нейтральным, а ток через р-п -переход – равным нулю. Распределение плотности объемного заряда r в переходе показано на рисунке 3.

Вблизи р-п -перехода возникает обедненный слой, который характеризуется низкой концентрацией подвижных носителей зарядов. Этот слой имеет повышенное сопротивление. За пределами р-п -перехода в обеих областях полупроводникового кристалла все заряды взаимно компенсируют друг друга, поэтому эти области оказываются электрически нейтральными. Поскольку концентрация основных носителей зарядов в областях полупроводника различна, то и ширина обедненного слоя в р и п областях также будет различной (в области с меньшей концентрацией основных носителей она будет шире).

Высота потенциального барьера на р - п -переходе определяется контактной разностью потенциалов п - и р -областей. Контактная разность потенциалов, в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

,

где - тепловой потенциал;

п_i – концентрация носителей зарядов в нелегированном (в чистом)

полупроводнике;

k» 1,38×10^-23 Дж/К – постоянная Больцмана;

Т – абсолютная температура, К;

q» 1,6×10^-19 Кл – заряд электрона.

При температуре Т = 300 К j _Т» 26 мВ. Контактная разность потенциалов для германия имеет значение 0,2... 0,4 В, а для кремния – 0,6... 0,8 В.

Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к р-п- переходу. Если внешнее напряжение создает в р - п -переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается, при обратной полярности приложенного напряжения высота потенциального барьера уменьшается (рисунок 4). Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Рисунок 4

Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его – обратным.

Обратный ток (I _обр) в р - п -переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границах области объемного заряда. Его предельное значение (обозначим I_Т) называют обратным током насыщения или тепловым током.

Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т. е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения на переходе.

При прямом смещении p-п- перехода появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя р-п -переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются неосновными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из дырочной области в электронную будет происходить инжекция дырок. Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

где U – напряжение на p - n -переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в противоположном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении р-п -перехода будет равен разности диффузионного тока и тока проводимости:

.

Полученное уравнение является аналитическим представлением вольтамперной характеристики (ВАХ) р-п -перехода. На рисунке 5 приведены ВАХ германиевого и кремниевого р-п -переходов.

Рисунок 5

Как видно из рисунка, обратный ток у кремниевого перехода существенно меньше, чем у германиевого. Это связано с отличием контактных разностей потенциалов п - и р - областей рассматриваемых материалов.

Пробой р - п -перехода. Под пробоем р - п -перехода понимают значительное уменьшение его дифференциального обратного сопротивления, сопровождающееся возрастанием обратного тока при увеличении приложенного напряжения.

На рисунке 6 показана обратная ветвь ВАХ р - п -перехода.

Рисунок 6

На начальном участке обратной ветви ВАХ (участок 0 – 1) при увеличении обратного напряжения, приложенного к переходу, ток растет медленно. Увеличение тока обусловлено, в основном, увеличением количества носителей, принимающих участие в создании тока, возникающих за счет термогенерации в самом р - п -переходе. Кроме того, увеличение тока может быть связано с неидеальностью р - п -перехода. В этом случае за счет наличия дефекта кристаллической решетки возникают токи утечки.

Участок 1 – 2 называют предпробойным участком. В точке 2 происходит пробой р - п -перехода. Различают два вида пробоя: электрический (участок 2 – 3) и тепловой (участок 3 – 4). Электрический пробой характерен тем, что при практически неизменном падении напряжения на переходе ток резко увеличивается. Для теплового пробоя характерно резкое уменьшение напряжения на переходе при одновременном увеличении обратного тока.

Существует два вида электрического пробоя: лавинный и туннельный. Вид пробоя, в первую очередь, зависит от толщины р - п -перехода, то есть от концентрации примесей в р - и п - областях. Лавинный пробой наблюдается в широких р - п -переходах в слаболегированных полупроводниках. Он происходит при достаточно высокой напряженности электрического поля (0,8×10⁵... 1,2×10⁵ В/см²), когда электроны, проходящие через р - п -переход, приобретают энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки. Возникающие при этом вторичные электроны приобретают энергию за счет действия поля и также ионизируют атомы кристаллической решетки в р - п -переходе. Таким образом происходит лавинообразный процесс нарастания носителей, что приводит к резкому увеличению тока.

Туннельный пробой происходит в узких р - п -переходах, когда напряженность поля достигает величины порядка (6... 7)×10⁵ В/см² и энергетические зоны р и п -областей смещаются таким образом, что оказывается возможным переход электронов из зоны проводимости п -области в валентную зону р -области и наоборот. Такой переход носит название туннельного, а поскольку электроны для такого перехода практически не затрачивают энергии, то ток через р - п -переход резко растет.

Тепловой пробой возникает за счет нарушения теплового равновесия в области р - п -перехода. За счет возрастания тока I_обр мощность, выделяемая в р - п -переходе, увеличивается. Это приводит к увеличению температуры р - п -перехода и, следовательно, к увеличению тока термогенерации. В итоге ток через р - п -переход лавинообразно увеличивается и наступает тепловой пробой.

Процессы, происходящие при электрическом пробое, являются обратимыми, при тепловом пробое – необратимыми. В результате теплового пробоя полупроводниковый материал приобретает свойства проводника.

Емкость р - п -перехода. Наряду с электропроводностью р - п -переход имеет и определенную емкость. Образование р - п -перехода связано с возникновением пространственных зарядов, создаваемых неподвижными ионами примесей. Изменение внешнего напряжения меняет ширину перехода, а, следовательно, и величину пространственного заряда в нем. Таким образом, р - п -переход ведет себя подобно своеобразному плоскому конденсатору, обкладками которого служат проводящие слои, а диэлектриком – обедненный носителями слой р - п -перехода.

Емкость р - п -перехода подразделяют на две составляющие: барьерную, отражающую перераспределение зарядов в р - п -переходе, и диффузионную, отражающую перераспределение зарядов вблизи р - п -перехода:

С_р-п = С_диф + С_бар.

При прямом смещении перехода в основном проявляется диффузионная емкость, при обратном – основную роль играет барьерная емкость.

Диффузионная емкость С_диф, обусловленная прохождением основных носителей заряда, прямо пропорциональна току, протекающему при прямом смещении перехода

,

где t _р – среднее время жизни дырок в п -области;

- прямой ток через р - п -переход;

Q_p – заряд, образуемый дырками, инжектированными в п -область.

При напряжении U_обр» 0,2 В ток I = - I_обр и, следовательно, диффузионная емкость равна нулю. Таким образом, диффузионная емкость существует только при прямом смещении р - п -перехода.

Барьерная емкость С_бар проявляется при обратном смещении р - п -перехода. Ее численное значение обратно пропорционально приложенному напряжению и определяется из выражения

,

где S – площадь р - п -перехода;

e _а – абсолютная проницаемость полупроводникового материала;

q – заряд электрона;

п_п – концентрация основных носителей заряда в п -области;

y _к – контактная разность потенциалов;

U_вн – обратное напряжение, приложенное к переходу.

Зависимость С_бар = f (U) называется вольт-фарадной характеристикой. Ее примерный вид представлен на рисунке 7.

Рисунок 7

Дата добавления: 2014-01-07