Глава 3. Полупроводниковые диоды.

 

Электронно-дырочный переход

 

Электронно-дырочный переход, или, сокращенно, р-п-переход, – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна – n -типа, другая – p -типа.

Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Наряду с p-n -переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл – полупроводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается р -область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n -область) (рис. 3.1.1. а).

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми. Такой p-n -переход называют симметричным: n_n=n_p.

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация которых значительно меньше, чем основных. Наличие неосновных носителей определяется генерацией электронно-дырочных пар при разрыве ковалентной связи. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой – неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n -области значительно больше, чем в р -области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р -области в n -область, а электроны — из n -области в р -область. Попадая в n -область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р -область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация их уменьшается (рис. 3.1.1, б).

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р - и n -областей создает ток диффузии в р-n -переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

 

I_диф = I_рдиф + I_nдиф

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси: уход электронов — положительный заряд ионов доноров в n -области, а уход дырок — отрицательный заряд ионов акцепторов в р -области (рис. 3.1.1, а). Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака.

В результате образования по обе стороны границы между р - и n -областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-n -переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n -области к р -области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера (рис. 3.1.1, в). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно р-n -переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем. Он обладает большим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через р-n -переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в р-n -переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

 

I _др = I _рдр + I _nдр

 

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока I_T, поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т. е от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому: I _диф = I _др, т. е. ток через р-n -переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера φ₀.

 

 

 

Рисунок 3.1.1.Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения. а) – структура p-n-перехода; б) – распределение концентрации носителей заряда; в) – потенциальный барьер в p-n-переходе.

 

Установившаяся высота потенциального барьера φ₀ в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов U_K в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы: φ₀=U_K.

В состоянии равновесия р-n -переход характеризуется также шириной d₀.

Величина φ₀ зависит в первую очередь от материала полупроводника, а также от температуры и концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера несколько уменьшается. При комнатной температуре для германия φ₀ ≈0,2–0,3 В, для кремния φ₀≈ 0,6–0,8 В.