Краткие теоретические сведения

P-n переход является одним из самых распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше.

В идеальном случае p-n переход представляет собой контакт однородных полупроводников p и n типа. Как правило, одна из областей имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси N _д или акцепторной примеси N_а. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n⁺  или    p⁺ :

 

                     N _д >> N _а                                N _а >> N _д

                  база                эмиттер           эмиттер             база

                          p       n⁺                               p⁺      n

 

На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn / dx и dp / dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей. Переход основных носителей в смежную область, где они становятся неосновными, приводит к рекомбинации и, поэтому, к уменьшению концентрации основных носителей. В результате в приграничных областях концентрация свободных электронов и дырок низкая, образуется обедненный слой. Заряды ионов примесей в нём остаются нескомпенсированными. Нескомпенсированные ионы примесей в приграничных областях являются здесь наиболее количественно значимыми зарядами. Эти заряды создают собственное электрическое поле p-n перехода.

Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это же поле вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток. Возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет. Выравнивания концентраций, как это было бы, например, при диффузии газов, не происходит.

Собственное электрическое поле p-n перехода характеризуют контактной разностью потенциалов j _{k 0}. В идеализированном p-n переходе

 

              N_AN _Д

j _{k 0 =} j _T ln –––––,                                         (1)

              n_i ²

где j _T – термический потенциал, N_A, N _Д – концентрации примесей,  – собственная концентрация:

,                                       (2)

где N _C, N_V – эффективные плотности состояний, j _З – ширина запрещенной зоны.

Величина½ j _{k 0} ½примерно соответствует U _пр, при котором электрическое поле перехода исчезает и перестает препятствовать протеканию большого диффузионного тока (прямого тока I _пр). Типичные значения½ j _{k 0} ½= 0,3... 1,5 В.

Протяженность приграничных областей с нескомпенсированными ионами примесей называют толщиной p-n перехода w. Для идеализированного p-n перехода

 

                                        (3)

 

где εε ₀ – диэлектрическая проницаемость полупроводника, q – элементарный электрический заряд.

От толщины р-n перехода зависит напряженность поля при обратном напряжении E @ U _обр / w. Если напряженность превышает критическую E _кр, возникает пробой. Поэтому толщина p-n перехода определяет напряжение пробоя, для увеличения которого одну из областей – базу делают слаболегированной. Типичные значения w = 0,1...2 мкм.

Анализ процессов в идеализированном p-n переходе приводит к так называемой формуле Шокли или теоретической ВАХ:

                                             (4)

где I ₀ – тепловой ток (ток насыщения), I и U – ток и напряжение перехода. Величина I ₀ определяет величины I _пр и I _обр не только идеализированного, но и в значительной степени реального p-n перехода. Для идеализированного p-n перехода

,                                                    (5)

где D – коэффициент диффузии, S – площадь p-n перехода, L – диффузионная длина, N _б – концентрация примеси в базе. Значения I ₀ изменяются в больших пределах в зависимости от типа полупроводника, площади, особенностей изготовления и температуры p-n перехода.

В зависимости от толщины p-n перехода в нём возникает лавинный или, в очень тонких p-n переходах, туннельный пробой. Напряжение лавинного пробоя U _проб.л можно рассчитать по приближенной формуле:

                                    (6)

 

Напряжение туннельного пробоя U _проб.т определяется выражением:

                                                      (7)

Возникает тот пробой, напряжение которого меньше. При U _проб.л @ U _проб.т  характер пробоя – смешанный.

Р-n перехода обладает ёмкостью, т.е. способностью накапливать заряды. Поэтому при изменении внешнего напряжения возникают переходные процессы заряда или разряда этой ёмкости. В результате возникает задержка в процессе установления напряжения и тока, в частности, при отпирании или запирании перехода. Эта задержка определяет быстродействие отдельных элементов и интегральных схем с p-n переходами. Например, при отпирании перехода происходит разряд барьерной ёмкости C _б, от величины которой зависит длительность процесса отпирания. Аналогично проявляет себя диффузионная ёмкость.

Для идеализированного p-n перехода в отсутствие напряжения барьерная ёмкость определяется соотношением

                                                    (8)

 

где S – площадь перехода.

 

Характеристики реальных p-n переходов оказываются несколько иными из-за влияния сопротивления и неоднородности областей, неидеальности структуры и поверхности полупроводника и других факторов, не учитываемых в идеализированном p-n переходе. Реальные переходы отличаются также намного более сложным влиянием температуры, чем это учитывается в приведённых выше соотношениях. Поэтому исследование реальных p-n переходов является предметом других лабораторных работ.