Электронно-дырочный переход (р-n-переход)

Основным элементом структуры большинства типов полупровод­никовых приборов является электрический переход – переходный слой в полупроводниковом материале между двумя областями с раз­личными типами электропроводности или разными значениями удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом. Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность р -типа, а другая – n -типа называют электронно-дырочным переходом или р - n -переходом.

Рис. 10.9. Распределение носителей заряда в областях полупроводника с р- и n- типами проводимости: а – отдельные области; б – области в одном кристалле при отсутствии внешнего электрического поля; в – внешнее поле направлено навстречу диффузионному; г – внешнее поле совпадает по направлению с диффузионным.

Создать р - n -переход можно путем введения в полу­проводник донорной и акцепторной примесей таким образом, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая – дырочной электропроводностью. Рассмотрим две отдельно взятые области электронного и дырочного полупроводников, показанные на рис. 10.9, а. Основные но­сители заряда в полупроводнике n -типа – электроны (на рис. 10.9,а обозначены знаком минус), а в полупроводнике р -типа – дырки (на рис. 10.9, а обозначены знаком плюс). Ионизированные атомы до­норной и акцепторной примеси обозначены соответственно знака­ми плюс и минус в кружочках. Неосновные носители в электрон­ном и дырочном полупроводниках не обозначены, так как их кон­центрация очень мала в сравнении с концентрацией основных носи­телей. Условно будем считать, что n - и р -полупроводники приведены в идеальное соприкосновение (рис. 10.9, б). Так как в n-полупроводнике много электронов, а в р -полупроводнике много дырок, между полупроводниками начнется интенсивный обмен носителями заря­да. За счет разности концентраций электроны из полупроводника n -типа диффундируют в полупроводник р -типа, оставляя в приконтактной области полупроводника n -типа некомпенсированный по­ложительный заряд ионов донорной примеси. Дырки, в свою очередь, диффундируют в полупроводник n-типа, в результате чего в приконтактном слое полупроводника р -типа возникнет отрицатель­ный заряд ионов акцепторной примеси. Таким образом, область раз­дела полупроводников n -и р -типа окажется обедненной свободными носителями заряда и, несмотря на малую ширину d ≈10^-6-10^-8м, будет обладать большим сопротивлением, во много раз превышаю­щим сопротивление остальной части полупроводников. Наличие отрицательного и положительного объемного зарядов приводит к образованию электрического поля, которое препятствует дальней­шему диффузионному потоку носителей заряда. В равновесное состояние систе­ма приходит при условии равенства по­токов свободных носителей заряда, выз­ванных градиентом их концентраций и диэлектрическим полем объемного заря­да. Теперь рассмотрим, что произойдет, если к р - n -переходу приложить внеш­нее напряжение. Пусть к р -области при­соединен положительный полюс пита­ния, а к n -области – отрицательный. Такое внешнее поле будет направлено навстречу электрическому полю, обус­ловленному объемными зарядами. При этом основные носители заряда в р - и n -полупроводниках, имеющие наиболь­шую энергию, получают возможность проникать через обедненный слой в области, где они оказываются неосновными носителями за­ряда и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током, и можно сказать, что элект­ронно-дырочный переход при такой полярности внешнего напря­жения будет «открыт» и через него потечет прямой ток.

При смене полярности внешнего напряжения электрическое по­ле объемных зарядов и внешнее поле будут совпадать по направле­нию. В результате действия суммарного электрического поля ос­новные носители будут двигаться от перехода и пересечь переход смогут только неосновные носители. Так как количество неоснов­ных носителей во много раз меньше основных, то и ток, ими обу­словленный, будет мал по сравнению с тем, который получится при прямом включении. При данном включении электронно-дыроч­ный переход «заперт» и через него может протекать только малый обратный ток неосновных носителей.

На рис. 10.10 показана зависимость между током, текущим через р - n -переход, и внешним напряжением, которая называется вольт-амперной характеристикой. Описывается вольт-амперная характе­ристика р - n -перехода следующим выражением:

I=I_S(e^qU/(kT)- 1) (10.28)

Рис. 10.10. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода.

где I_S – ток насыщения (при обратном включении р-n-перехода этот ток равен обратному току); U – приложенное напряжение; q/(kT)≈40В^-1 при комнатной температуре.