Электронно-дырочный переход

Область монокристаллического полупроводника, в которой происходит смена проводимости с электронной на дырочную называется электронно-дырочный переходом (или р-n –переходом). Такой переход образуется в едином полупроводниковом кристалле, одна часть которого легирована акцепторный примесью (p -область), а другая донорной (n -область).

На рис. приведено распределение концентрации примесей в области р-n –перехода.

На границе раздела p - и n - областей образуются большие градиенты концентраций электронов и дырок и возникают встречные диффузионные потоки:

§ электронов из n - в p -область,

§ дырок – из p- области в n- область.

В пограничной области электроны рекомбинируют с дырками. В результате остаются электрически нескомпенсированными заряженные ионы акцепторной и донорной примеси (рис.).

На рис. обозначены:

- доноры,

- акцепторы,

- электроны, - дырки. Неосновные носители заряда не показаны.

Создаются области неподвижных объёмных зарядов d_р и d_n, и возникает контактное (диффузионное) электрическое поле, вектор напряжённости которого направлен от n - к р- области. Это поле препятствует переходу основных носителей через контакт. Для неосновных носителей оно является ускоряющим. Область d= d_р +d_n обеднена носителями тока и обладает большим электрическим сопротивлением. Она и является р-n –переходом.

Для основных носителей возникает потенциальный барьер, высотой ( - заряд электрона, - контактная разность потенциалов).

Получим выражение для вольт-амперной характеристики р-n –перехода.

1. Рассмотрим случай, когда внешнее напряжение на р- n –переход не подаётся.

В условиях равновесия через р-n –переход проходят только те основные носители, энергия которых больше высоты потенциального барьера . Поток основных носителей представляет собой диффузионный ток I_дифф. Одновременно через р-n –переход под действием ускоряющего контактного поля движутся неосновные носители. Они создают дрейфовый ток I_др. Эти токи направлены противоположно друг другу: I_дифф ¯­ I_др. При равновесии они равны по величине: I_дифф = I_др= I₀ . Общий ток через р-n –переход равен нулю: I= I_дифф - I_др= 0.

2. Пусть к р- области присоединён положительный полюс источника тока, а к n- области – отрицательный (рис.).

Тогда внешнее электрическое поле будет направлено противоположно внутреннему контактному полю. Высота потенциального барьера уменьшится на величину , где - внешнее напряжение. Диффузионный ток (ток основных носителей) увеличится и станет равным:

. ()

Ток неосновных носителей (ток дрейфа ) останется без изменения. Суммарный ток через р-n –переход равен:

или . ()

Такое включение р-n –перехода называется прямым. При прямом включении ширина области объёмного заряда d уменьшается. Сопротивление перехода мало и уменьшается и с ростом приложенного напряжения.

3.Пусть к р- области присоединён отрицательный полюс источника тока, а к n- области – положительный (рис.).

Тогда внешнее электрическое поле будет совпадать по направлению с внутренним контактным полем. Высота потенциального барьера увеличится на величину , где - модуль внешнего напряжения. Диффузионный ток (ток основных носителей) уменьшится и станет равным:

. ()

Ток неосновных носителей (ток дрейфа ) останется без изменения. Суммарный ток через р-n –переход равен:

или . ()

Такое включение р-n –перехода называется обратным. При обратном включении ширина области объёмного заряда d увеличивается. Сопротивление перехода велико и увеличивается с ростом приложенного напряжения.

При достаточно больших обратных напряжениях ( В) , тогда . Это означает, что через р-n –переход течёт только очень малый дрейфовый ток неосновных носителей; его называют обратным током.

Уравнение вольтамперной характеристики р-n –перехода имеет вид:

. ()

В этом выражении:

§ - напряжение, подаваемое на р-n –переход. при прямом включении; при обратном включении.

§ - значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.

На рисунке приведена вольт-амперная характеристика р-n –перехода.

При прямом включении p-n -перехода ток очень быстро возрастает с увеличением приложенного напряжения (экспоненциальная зависимость, участок 1).

При подаче обратного напряжения ток сначала увеличивается с увеличением напряжения. Но уже при небольшом напряжении все неосновные носители, образующиеся на расстоянии меньшем их диффузионной длины будут втягиваться в переход, и дальнейшее увеличение обратного напряжения не вызовет роста обратного тока: наступает насыщение (участок 2). Обратный ток при этом равен .

При очень больших обратных напряжениях наступает пробой перехода, ток резко возрастает (участок 3). Участок пробоя уравнением () не описывается.

Из вышеизложенного следует, что р-n –переход обладает свойством односторонней проводимости: имеет очень малое сопротивление при прямом включении и очень большое сопротивление при обратном включении. Это свойство позволяет использовать р-n –переход для выпрямления переменного тока. Полупроводниковые приборы с одним р-n –переходом называются диодами.

Участок пробоя вольт-амперной характеристики используется для стабилизации постоянного напряжения. Диоды, предназначенные для стабилизации напряжения, называются стабилитронами. В приборах, называемых варикапами, используется барьерная ёмкость p-n-перехода. Управление ёмкостью варикапа осуществляется путём изменения напряжения.