Электронно-дырочный переход (p-n переход)

Электронно-дырочный переход – область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

Поскольку концентрация дырок в полупроводнике р-типа много больше, чем в полупроводнике n-типа, и, напротив, в полупроводнике n-типа выше концентрация электро­нов, то на границе раздела полупроводников различной электропроводности создается перепад (градиент) кон­центрации дырок и электронов. Это вызывает диффузион­ное перемещение дырок из р-области в n-область и электронов в противоположном направлении и их рекомбинацию.

В результате ухода дырок из приконтактной области р-типа и электронов из приконтактной области n-типа на этих участках образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой и появляется некомпенсирован­ный отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси (в приконтактной области р-типа) и положи­тельный заряд за счет ионов донорной примеси (в прикон­тактной области n-типа). На рис. 4, а обедненный слой отмечен треугольниками со знаками «—» и «+», обозна­чающими отрицательные и положительные ионы соответ­ственно акцепторной и донорной примесей. Таким образом, обедненный слой представляет собой, область полупро­водника с определенной плотностью объемного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля (на рис. 4, а направление напряженности этого поля показано вектором Е). Это поле препятствует дальнейшему диффузионному перемещению дырок из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа и электро­нов в противоположном направлении. Поскольку обед­ненный слой обладает незначительной электропроводностью, так как в нем практи-чески отсутствуют положительные носители заряда, его называют запирающим слоем.

Рис.4

В то же время электроны из p-области могут свободно перемещаться в n-область, а дырки – из n- области — в p-область. Таким образом, обедненный (запирающий) слой образует поле, препятствующее движению основных носителей и не препятствующее движению неосновных носителей. Образуемая двойным электрическим полем контактная разность потенциалов называется потенциальным барьером φ_к (рис.4а).

Если подключить к p-n-переходу внешнее напряжение U_обр таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус — к области полупровод­ника

р-типа (такое включение называют обратным, рис. 4, б), то обедненный слой расширится, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки, как основные носители заряда, смещаются от р-n-перехода в разные стороны. Потенциальный барьер возрастает и становится равным φ_к + U_обр., т.к. внешнее напряжение совпадает с контактной разностью потенциалов. Ширина нового обед­ненного слоя увеличивается. Сопротивление перехода велико, ток через него мал, так как обусловлен неосновными носителями (дрейфовая составляющая тока). Ток называетсяобратным, а p-n-переход закрытым.

При прямом включении, обедненный слой сужается, а проводимость увеличивается. Потенциальный барьер снижается и становится равным φ_к - U_пр. Создаются условия для инжекции основных носителей заряда, и через переход проходит большой прямой ток, обусловленный диффузией основных носителей (диффузионный ток).

Связь между прямым током и приложенным к р-n-переходу прямым напряжением U_пр определяется выраже­нием

(1)

где φ_т – тепловой потенциал (при нормальной температуре φ_т ≈ 0,28 В).

Значение обратного тока можно определить из урав­нения (1), заменив значение U_np на

-U_обр. Учитывая, что в рабочей части диапазона обратных токов φ_т < <|U_обр|, получим

I_обр = I₀ (2)

Ток I_обр по значению много меньше I_пр. Прямая и обрат­ная ветви вольтамперной характеристики, соответст­вующие уравнениям (1) и (2), показаны на рис. 5.

Рис.5

Из соотношений (1) и (2) (вольтамперной ха­рактеристики) следует, что значение и направление тока, приходящего через р-n-переход, зависят от значения и знака приложенного напряжения. При прямом смещении р-n-перехода его сопротивление незначительно, а ток большой. Обратное сме­щение на переходе обусловливает значительно большее сопротив­ление в обратном направлении при малом обратном токе. Таким образом, р-n-переход обладает свойством односторонней проводимости, что позволяет использовать его в целях выпрямления переменного тока.

Если обратное напряжение превышает некоторое значение U_обр.пр. (рис. 5), называемое пробивным, то обратный ток резко возрастает. Если его не огра­ничить, то произойдет электрический пробой р-n-перехода, сопровождаемый часто тепловым пробоем. Электри­ческий пробой объясняется тем, что при U_обр > U_обр.пр. электрическое поле в р-n-переходе становится столь сильным, что в состоянии сообщить электронам и дыркам, энергию, достаточную для ударной ионизации вещества перехода с лавинообразным процессом размножения дополнительных пар зарядов. Эти пары способствуют резкому возрастанию обратного тока. Кратковременный электрический пробой не разрушает p-n-перехода, т. е. является обратимым явлением. При тепловом же пробое происходит недопустимый перегрев р-n-перехода и он выходит из строя.

С ростом температуры возрастают как прямой, так и обратный ток. Вольтамперная характеристика р-n-пе­рехода при более высокой температуре показана на рис. 5 пунктирной линией.