Р–n перехід і його вольт–амперна характеристика

Границя контакту двох напівпровідників, один з яких має електронну, а інший діркову провідність, називається електронно–дірковим переходом (або p–n переходом) (рис. 6.9).

Ці переходи мають велике практичне значення, будучи основою роботи багатьох напівпровідникових приладів.

Одним із поширених методів виготовлення p–n переходів є метод сплавлення. Наприклад, кристал германію n - типу сплавляють з „таблеткою” індію, яка покладена на нього, при температурі 500 – 600° С в атмосфері аргону. При цьому індій розплавляється і розчиняє в собі германій.

Розглянемо фізичні процеси, що відбуваються в p–n – переході. Будемо вважати, що концентрація донорів і концентрація акцепторів однакові.

Для n– області основними носіями струму є електрони і при не дуже низьких температурах концентрація електронів в n– області практично дорівнює концентрації донорних атомів – . В p– області основні носії – дірки, і концентрація дірок в цій області дорівнює концентрації акцепторних атомів – .

Крім основних носіїв, ці області містять неосновні носії: n – область – дірки , p– область – електрони . Розрахунок показує, що концентрація у разів більша за в n– області, а концентрація в разів більша за концентрацію електронів p – області.

Відмінність у концентрації однотипних носіїв в контактуючих областях напівпровідника приводить до виникнення дифузійних потоків електронів з n – області в p – область і дифузійного потоку дірок із p – області в n – область .

Область n, із якої дифундували електрони, заряджається позитивно, а p – область, із якої дифундували дірки – негативно (рис. 6.9). Перетікання електронів справа наліво і дірок зліва направо відбувається доти, доки потік електронів із n– області в p– область зрівноважується потоком електронів із p – області в n– область , а потік електронів із p – області в n – область зрівноважується потоком дірок із n– області в p– область:

; .

Позначимо густини струмів, що відповідають потоку через ; потоку – ; потоку – ; потоку – . В рівноважному стані

, .

Додаючи ліві і праві сторони цих рівностей, отримуємо

.

Густина повного струму через рівноважний p - n - перехід

.

В n –області напівпровідника внаслідок переходу електронів поблизу границі залишається нескомпенсований позитивний об’ємний заряд нерухомих іонізованих донорних атомів. У p– області напівпровідника, внаслідок переходу дірок, поблизу границі утворюється від'ємний об'ємний заряд нерухомих іонізованих акцепторів. Ці об’ємні заряди утворюють біля границі подвійний електричний шар, який характеризується контактною різницею потенціалів , що не дозволяє подальший перехід електронів у напрямку і дірок у напрямку .

Прикладемо до p–n– переходу, що знаходиться в рівновазі, зовнішнє елек­тричне поле, яке напрямлене протилежно до поля контактного шару, підключивши до p– області позитивний полюс джерела напруги, а до n– області – негативний (рис. 6.10). Це поле, напрямок якого називається прямим, викликає пониження потенціального бар’єра для основних носіїв

, (6.4)

де – зовнішня різниця потенціалів. Тому потік електронів із n – області в p – область і потік дірок із p у n– область збільшаться в разів, що приведе до збільшення в разів густини струмів основних носіїв і . Густини ж неосновних носіїв струму і залишаються незмінними.

Тоді, густина повного струму при прямому включенні переходу дорівнює [1]

, (6.5)

де - густина струму насичення.

Цей струм називається прямим.

Прикладемо до p–n– переходу зовнішнє електричне поле, яке напрямлене від n – провідника до p– провідника, тобто поле, яке співпадає з полем контактного шару (рис. 6.11). Плюсовий полюс джерела струму підключений до n– області, а мінус – до p – області. Під дією різниці потенціалів зовнішнього поля, напрямок якого називається зворотнім, розширюється запірний шар і потенціальний бар’єр р–п– переходу становить , що викличе зменшення в разів потоку основних носіїв і та густини струмів і , що відповідають цим потокам. Зміна висоти бар’єра не змінить потоків електронів і дірок .

В кінцевому результаті густина повного струму через р–п– перехід дорівнює:

.

Цей струм називається зворотним.

Об’єднуючи вирази і , отримуємо

. (6.6)

Це співвідношення є рівнянням вольт–амперної характеристики р–п– переходу.

P–n– перехід практично має односторонню провідність. Вольт–амперна характеристика p–n– переходу має вигляд, зображений на рис. 6.12.