Электронно-дырочный переход. Теория выпрямления ВАХ p-n перехода при прямом и обратном включении

Электронно-дырочный переход (p-n переход) – это переходный слой между двумя областями монокристалла полупроводника с различными типами проводимости. Эта область формируется при легировании полупроводника донорной (n –типа) и акцепторной (p-типа) примесями. Рассмотрим физические процессы при образовании перехода в симметричной структуре, т.е. N_a=N_d (рис. 1).

В исходном состоянии по обе стороны от границы раздела соблюдаются условия электрической нейтральности:

(p-тип),

(n-тип)

с повышенной концентрацией дырок и электронов в соответствующих областях. Причем объемные заряды основных носителей практически компенсируются противоположными зарядами неподвижных ионов:

, .

При таких условиях структура не может находиться в состоянии равновесия из-за резкого различия по концентрации одноименных носителей зарядов по обе стороны границы раздела:

, .

Поэтому возникают следующие процессы по перераспределению зарядов:

1. Наличие градиента концентраций по одноименным зарядам вызывает процессы диффузионного переноса ОНЗ через границу раздела из приграничных областей. Такому направленному переносу носителей заряда соответствует диффузионный ток , совпадающий с направлением движения дырок.

2. Вследствие ухода ОНЗ нарушаются условия электрической нейтральности в приграничных областях. Обнажаются заряды ионов: отрицательные в p-области, положительные в n-области, т.е. возникает двойной слой ионов – область пространственного заряда.

3. Между пространственно разнесенными разноименными зарядами ионов возникает диффузионное электрическое поле Е, направленное из области n в область p. Оно обеспечивает динамическую устойчивость, т.е. равновесное состояние данной структуры.

4. Возрастающее поле приводит к уменьшению диффузионного переноса основных носителей заряда. Так как вектор скорости диффузионного переноса направлен навстречу электрической силе (верхняя часть рис.1), то диффузионное поле перехода является потенциальным барьером для основных носителей заряда.

5. Диффузионное поле является ускоряющим для неосновных носителей заряда, обеспечивая их дрейф через переход (нижняя часть рис.1), иначе говоря, это поле представляет собой потенциальную яму для ННЗ. Дрейфовому механизму переноса этих зарядов соответствует дрейфовый ток , совпадающий с направлением движения дырок.

6. Процесс формирования электрического перехода завершается при установлении динамического равновесия между величинами дрейфового и диффузионного токов.

В результате контактных явлений образуется p-n-переход, состоящий из ионов примеси и нейтральных атомов основного вещества. Эта область представляет собой объединенный слой с пониженной концентрацией подвижных носителей заряда и имеющий повышенное омическое сопротивление (следствие).

Электронно-дырочный переход является существенно нелинейным элементом. Если для резистора ток изменяется пропорционально приложенному напряжению, т.е. изменяется пропорционально приложенному напряжению, т.е. подчиняется линейному закону Ома, то рассматриваемая структура имеет нелинейную ВАХ.

Идеализированный переход является упрощенной моделью реального p-n-перехода. Условия идеализации следующие:

- рассматривается переход с плоскими границами, заряды движутся в направлении, перпендикулярном границам, не учитываются краевые эффекты;

- сопротивления областей, прилегающих к переходу, пренебрежимо малы, т.е. все внешнее напряжение приложено непосредственно к переходу;

- процессы генерации и рекомбинации внутри области объемного заряда отсутствуют;

- рассматривается статический режим работы при малой интенсивности диффузионного переноса ОНЗ.

ВАХ определяет зависимость между током, протекающим через переход, и напряжением, приложенным к нему: I=f(U). Эта хар-ка показана на рис. 2. Прямая ветвь соответствует положительным напряжениям (прямое смещение перехода) и формируется диффузионным током ОНЗ. Обратная ветвь определяет ток насыщения I₀, который является дрейфовым током ННЗ. Прямая и обратная ветви приведены в различных масштабах токов, что вызвало излом хар-ки в начале координат.

Аналитическое представление ВАХ соответствует зависимости:

(1)

где I₀ – обратный ток перехода,

- тепловой потенциал.

Реальные переходы являются несимметричными, т.е. дырочная и электронная области имеют разную степень легирования: слаболегированная область – база, высоколегированная – эмиттер.

Так, на рис. 3 при условии N_A>>N_D p-область представляет собой эмиттер, а n-область – базу. Вследствие этого прямой диффузионный ток определяется в основном дырочной компонентой. Геометрически переход также несимметричен. На рис. 3 пунктиром показана «нейтральная» граница раздела.

Наличие более высокоомной базовой области приводит к тому, что внешнее напряжение действует не непосредственно на p-n-переход, а перераспределяется между базой и самим переходом. Тогда в масштабе реальных рабочих токов прямая ветвь ВАХ имеет ярко выраженный пороговый эффект (рис. 4). Начальный участок прямой ветви, соответствующий малым токам, в данном масштабе не виден на графике, причем материалу с более широкой запрещающей зоной соответствует большее значение порогового напряжения.

Обратная ветвь для материалов с большей шириной запрещенной зоны (Si, GaAs) не имеет выраженного участка насыщения (рис. 4). Это связано с наличием дополнительной компоненты обратного тока в таких переходах – тока териогенерации I_г (I_обр=I₀+I_г).

Эта компонента образуется за счет термогенерации пар электрон-дырка внутри перехода, причем при увеличении обратного напряжения растет ширина перехода и процесс термогенерации происходит более интенсивно.