Электронно-дырочный переход и полупроводниковые диоды

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, происходящих на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности.

Рассмотрим структуру, состоящую из полупроводниковых областей р и n -типа (рис. 7.2.4, а).

Рис. 7.2.4. Образование электронно-дырочного перехода (дырки обозначены кружками, соответствующие им ионы примесных атомов — черточками; электроны — черными точками, а соответствующие им положительные ионы примесных атомов — знаком «+»)

В состоянии равновесия отрицательный заряд ионов-акцепторов скомпенсирован положительным зарядом дырок, а положительный заряд ионов-доноров — отрицательным зарядом свободные электронов, и каждая из областей полупроводника является электрически нейтральной.

Концентрацию основных носителей—дырок в р -области, - установившуюся при некоторой температуре, обозначим через р_р0, а неосновных носителей—электронов—через n_р0. Концентрацию основных носителей — электронов — и неосновных носителей - дырок в n -области — обозначим соответственно через n_n₀ и p_n₀. Будем считать, что концентрации основных и неосновных носителей р -области соответственно равны концентрациям основных и неосновных носителей n-области, т. е. р_р0= n_n₀ и n_n₀= n_р0.

Предположим, что р - и n -области соединены друг с другом (рис. 7.2.4, б). Так как в р -области дырок значительно больше, чем в n -области, будет происходить их диффузия из р -области в n -область. Этот процесс аналогичен диффузии подвижных частиц в жидкости и воздухе. Вследствие разности концентраций электронов в р - и n -областях будет происходить их диффузия из n -области в p -область. Диффузия основных носителей через границу между p - и n -областями создает электрический ток. Этот ток называют диффузионным. Он содержит электронную и дырочную составляющие и направлен из р -области в n -область.

При уходе дырок из р -области в n -область в р -области остаются отрицательные ионы акцепторов, а при уходе электронов из n -области в р -область в n- области остаются положительные ионы доноров. Положительные и отрицательные ионы примесных атомов прочно связаны с атомами основного полупроводника (германия или кремния) и не могут перемещаться. Поэтому в р -области на границе с n -областью создается отрицательный заряд, а в n -области на границе с р -областью — положительный заряд. Наличие зарядов противоположных знаков на границе между р - и n -областями приводит к появлению между этими областями так называемой контактной разности потенциалов и электрического поля. Это поле названо диффузионным. Оно характеризуется напряженностью Е_диф _., направленной из n -области в р -область.

Диффузионное поле, возникшее между р - и n -областями, оказывается тормозящим для дырок р -области и электронов n -области, т. е. на границе между р - и n -областями возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузии основных носителей.

Помимо основных в полупроводнике имеется небольшая концентрация неосновных носителей — электронов в р -области и дырок в n -области. Неосновные носители хаотически движутся в полупроводнике. При попадании дырок n -области и электронов р -области в пределы диффузионного поля они захватываются этим полем и перебрасываются в противоположные области. Следовательно, кроме электрического тока, образованного в результате диффузии основных носителей через границу р - и n -областей, через нее протекает также ток, образованный движением неосновных носителей. Такой ток тоже содержит две составляющие — электронную и дырочную — и называется дрейфовым, или током проводимости. Дрейфовый ток направлен из n -области в p -область, т. е. навстречу диффузионному току. Если к p - и n -областям не подключен внешний источник напряжения, и они не подвергаются никаким другим энергетическим воздействиям, потенциальный барьер между p - и n -областями достигает такой величины, при которой диффузионный ток полностью компенсируется дрейфовым током и результирующий ток равен нулю.

Область вблизи места контакта содержит объемные заряды, образованные отрицательными и положительными ионами примесных атомов, но в ней практически нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого сопротивление данной области оказывается очень большим, и ее называют запирающим слоем, или областью объемного заряда, а чаще всего — электронно-дырочным переходом (р-n -переходом).

. Ток диф- Если к p - и n -областям подключить внешний источник напряжения плюсом к p -области, а минусом к n -области (рис. 7.2.5, а), диффузионное поле р - n -перехода будет частично скомпенсировано полем внешнего источника. Потенциальный барьер р-n -перехода уменьшится и увеличится количество электронов и дырок, проникающих в противоположные области, ток

Рис. 7.2.5. Прямое и обратное включения р-n-перехода

диффузии станет преобладать над током дрейфа, и через р-n -переход будет протекать результирующий ток. Этот ток зависит от концентрации примесей в р - и n -областях и направлен из р -области в n -область, Такое подключение р-n -перехода к внешнему источнику напряжения называется прямым, а протекающий через него ток — прямым током. Прямой ток тем больше, чем больше приложенное к р-n -переходу прямое напряжение (рис. 7.2.5, б).

Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к n -области и минусом к р -области (рис. 7.2.5, в), внешнее напряжение увеличит потенциальный барьер р-n -перехода, диффузионный ток станет меньше тока дрейфа. Результирующий ток, протекающий через р-n -переход, в этом случае будет определяться дрейфовым током, т. е. его значение и направление такие же, как и у дрейфового тока. Это включение р-n -перехода называют обратным, а протекающий через него ток — обратным током. Так как обратный ток образован неосновными подвижными носителями заряда р - и n -областей, концентрация которых очень мала по сравнению с концентрацией основных носителей, то обратный ток оказывается значительно меньше прямого тока и очень мало зависит от обратного напряжения (рис. 7.2.5, г). При некотором значении обратного напряжения происходит пробой р-n -перехода, вследствие которого резко увеличивается обратный ток. Пробой может быть тепловым (кривая 1) или электрическим (кривая 2 ). При тепловом пробое разрушается кристалл, и свойства р-n -перехода теряются. Электрический пробой, не перешедший в тепловой, является обратимым, т. е. свойства р-n -перехода восстанавливаются при снятии обратного напряжения.

Вольтамперная характеристика р-n -перехода — это кривая зависимости прямого тока от прямого напряжения и обратного тока от обратного напряжения. Она обычно строится на общих координатных осях (рис. 7.2.6).

(Стр. с рис. 7.2.6, 7.2.7, 7.2.8, 7.2.9.)

Рис. 7.2.6. Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Из приведенной характеристики видно, что в р-n -переходах из кремния (Si) прямой и обратный токи меньше, чем в р-n -переходах из германия (Ge) при одинаковых напряжениях. Это связано с тем, что у кремния больше ширина запрещенной зоны и для перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости им необходимо сообщить большую дополнительную энергию.

Ход вольтамперной характеристики зависит от температуры. При ее повышении увеличивается число свободных электронов в зоне проводимости и дырок в валентной зоне, что приводит к увеличению прямого и обратного токов при тех же значениях напряжения на р-n -переходе (рис. 7.2.7).

Рис. 7.2.7. Зависимость вольтампернойхарактеристики р-n-перехода от температуры

В тонком слое, образующемся на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности, содержатся ионизированные неподвижные атомы примеси и почти нет подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Вследствие этого такой слой обладает свойствами диэлектрика, и ЭДП можно рассматривать как плоский конденсатор, обкладками которого являются нейтральные р - и n -области. Если к р - и n -областям приложить обратное напряжение, толщина р-n -перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.

Эта емкость р-n -перехода получила название зарядной, илибарьерной, так как ее наличие обусловлено существованием положительных и отрицательных зарядов, или потенциального барьера на границе р - и n -областей. Барьерная емкость возникает в основном при обратных напряжениях на р-п -переходе.

Емкостные свойства р-n -перехода используются в полупроводниковых диодах, называемых варикапами. В варикапах величину зарядной емкости изменяют путем изменения приложенного к нему обратного напряжения.