Физические явления, происходящие на p-n-переходе

Основу полупроводникового диода составляет p-n -переход. Электронно-дырочным переходом (p-n -переходом) называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность.

Схематически образование p-n -перехода можно представить как соприкосновение двух полупроводников с различным типом электропроводности (рис. 1.1.1). До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно (рис. 1.1.1,а).

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок. Свободные электроны из зоны проводника n -типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p -типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, обедненный подвижными носителями заряда и поэтому обладающий высоким электри+ческим сопротивлением, - так называемый запирающий слой (рис. 1.1.1.б). Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) на границе полупроводников (рис. 1.1.1.в). Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее как переходу электронов из полупроводника n -типа в полупроводник p -типа, так и переходу дырок в обратном направлении. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. Однако при движении через p-n -переход неосновных носителей (так называемый дрейфовый ток I_др.) происходит снижение контактной разности потенциалов , что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолевать потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов . Появляется диффузионный ток I_{диф .}, который направлен навстречу дрейфовому току I_{др .,} т.е. возникает динамическое равновесие_, при котором I_др.= I_диф.

Если к p-n -переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов (рис. 1.1.2.а), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя, так как отведет от контактной зоны и положительные и отрицательные носители заряда. При этом сопротивление p-n -перехода велико, ток через него мал – он обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называется обратным, а p-n -переход - закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения электрическое поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается, и при напряжении 0,3-0,5 В запирающий слой исчезает. Сопротивление p-n -перехода резко снижается, возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называется прямым, а переход – открытым. Сопротивление открытого p-n -перехода определяется только сопротивлением полупроводника.

На рис. 1.1.3. показана вольтамперная характеристика открытого и закрытого p-n -перехода. На участке 1 (Е_внешн.< Е _зап.) прямой ток мал. На участке 2 (Е_вн.>Е_зап.) запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке 3 запирающий слой препятствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Излом вольтамперной характеристики в начале координат обусловлен различными масштабами тока и напряжения при прямом и обратном направлениях напряжения, приложенного к p-n -переходу. И, наконец, на участке 4 происходит пробой p-n -перехода и обратный ток возрастает. Это связано с тем, что при движении через p-n -переход под действием электрического поля неосновные носители приобретают энергию, до-статочную для ударной ионизации атомов полупро-водника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обрат-ного тока через p-n -переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n -переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках. В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной ионизации. В то же время может возникать электрический пробой p-n -перехода, когда при достижении критической напряженности электрического поля p-n -переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон-дырка (эффект Зенера), и существенно возрастает обратный ток перехода. Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n -перехода полностью восстанавливаются при снижении на нем напряжения. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Если температура p-n -перехода возрастает в результате его перегрева обратным током, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n -перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой пробой называют тепловым пробоем.