Процессы в электронно-дырочном переходе

Основой полупроводниковых устройств является электронно-дырочный переход (p - n переход). Это переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность p -типа, а другая – n -типа. P - n переход получают в едином кристалле полупроводника путем легирования его донорной и акцепторной примесями. Слева от границы раздела (рис. 6) электронов меньше, чем справа, поэтому они стремятся дифундировать в р -область. Попадая в р -область они рекомбинируют с дырками и их концентрация быстро падает. Аналогично дырки переходят в n -область и тоже рекомбинируют с электронами. В силу этого имеет место ток диффузии

I _диф = I_{p диф} + I_{n диф},(1.6)

направление которого совпадает с направлением диффузии дырок.

Вследствии диффузии основных носителей в их областях остается нескомпенсированный заряд ионизированных атомов примеси. Таким образом, вблизи границы раздела образуется переходный слой из противоположных по знаку зарядов. Они создают электрическое поле, направленное от положительных доноров к отрицательным акцепторам, т.е. от n -области к p -области. Между p и n областями создается разность потенциалов U _кн, которая называется контактной. Для германиевых p - n переходов U _кн= 0,3 - 0,4 В, для кремниевых – U _кн = 0,7 - 0,8 В. Это поле препятствует диффузии основных носителей в соседнюю область, создавая потенциальный барьер. Это, в свою очередь, препятствует выравниванию концентраций носителей по объему кристалла. Поскольку в объеме кристалла имеются неосновные носители (дырки в n -области и электроны в p -области) электрическое поле p - n перехода способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область (электронов – в n -область, дырок – в p -область). Таким образом создается ток неосновных носителей, который называется тепловым током

I _o = I _{o n} + I _{o p} .(1.7)

Этот ток мал.

За положительное направление тока принимают направление тока диффузии.

Наличие контактной разности потенциалов приводит к снижению тока диффузии, вследствие чего суммарный ток через p-n переход

I_p-n = I _дифo - I _o = 0.(1.8)

Это приводит к образованию слоя, обедненного подвижными носителями, который обладает малой удельной проводимостью и называется запирающим. Его ширина

, (1.9)

Рис. 6. р-n переход: а – схематичный p-n переход; б – распределение концентрации; в – схема переноса зарядов; г – распределение плотности объемного заряда; д – диаграмма напряженности поля; с – потенциальный барьер p-n перехода

где e ₀ – диэлектрическая постоянная;

e – относительная диэлектрическая проницаемость кристалла;

N _д» n; N _а» p – концентрация ионизированных атомов донорной и акцепторной примесей.

Обычно переход несимметричен. Если N _а >> N _д, то

. (1.10)

Рис.6. Р-n переход

Наконец, взаимная рекомбинация подвижных носителей в p-n переходе происходит с такой интенсивностью, что в любой точке слоя, обедненного подвижными носителями, будет примерное равенство p n = n ² _i. Это состояние называется равновесным. Наличие объемного заряда – главная особенность p-n перехода.

Обратное смещение p-n перехода

При обратном направлении подаваемого на p-n переход смещения, (рис.7, а) источник подключается так, чтобы поле, создаваемое внешним источником, совпадало по направлению с полем p-n перехода. При этом потенциальный барьер увеличивается и становится равным

U ¢ = U _кн + U. (1.11)

Из-за его роста количество носителей заряда, способных преодолеть отталкивающее действие результирующего поля, уменьшается. Соответственно уменьшается и ток диффузии (рис.7).

а б

Рис. 7. р- n переход при: а – обратном смещении; б – прямом смещении

Под действием электрического поля, создаваемого источником напряжения U, основные носители заряда будут оттягиваться от приконтактного слоя. Из-за этого ширина запирающего слоя возрастает. Рост внешнего обратного напряжения приведет к сокращению количества подвижных носителей заряда, отчего диффузионный ток будет стремиться к нулю. Снижение I _диф происходит по экспоненте:

^; , (1.12)

здесь I_{n 0}, I_{p 0} – диффузионный ток электронов и дырок при U = 0.

Тепловой ток зависит от концентрации неосновных носителей заряда в n - и p областях и не зависит от напряжения, приложенного к переходу. Полный ток через переход равен

_. (1.13)

Прямое смещение p-n перехода

При прямом направлении смещения (рис.7, б) внешний источник напряжения включается так, что поле, создаваемое им в p-n переходе, направлено навстречу собственному полю перехода. Это приводит к уменьшению потенциального барьера. Облегчается диффузия основных носителей заряда и появляется диффузионный ток. Так как прямое напряжение вызывает встречное движение дырок и электронов, их концентрация в переходной области растет, ширина запрещающего слоя уменьшается.

Зависимость тока диффузии от прямого напряжения имеет вид

. (1.14)

Тепловой ток по-прежнему не зависит от напряжения. Полный ток через переход равен

. (1.15)

Вольт-амперная характеристика перехода показана на рис. 8.

Рис. 8. Вольтамперная харак- теристика p-n перехода

На нее сильно влияет температура. При повышении температуры растет число пар электрон-дырка, возникающих в p - и n -областях вследствие теплового движения атомов. От этого растет тепловой ток I ₀.

При прямом смещении с одной стороны растет ток за счет роста I ₀, а с другой из-за нагрева уменьшается проводимость полупроводникового кристалла, отчего ток снижается.

Рис.8. Вольт-амперная характеристика р-n перехода

Основной ток через p-n переход создается за счет диффузии дырок. P - слой осуществляет эмиссию дырок, он – эмиттер. Основой для получения p-n -структуры является полупроводник n -типа. Он – база.