Электронно-дырочный переход (p-n-переход)

Электронно-дырочный переход является рабочим элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Электронно-дырочным (p-n) переходом называется тонкий приконтактный слой между двумя частями полупроводникового кристалла, одна из которых обладает электронной, а другая – дырочной проводимостью.

Для создания p-n-перехода используется единая пластинка полупроводника, на которой создаются полупроводники с электронной и дырочной проводимостью. Между p-слоем и n-слоем образуется резкая граница, в которой отсутствуют основные носители зарядов. Эта область называется p-n-переходом.

На рис. 5 показана структура p-n-перехода.

Рис. 5. Структура p-n-перехода

Положительные и отрицательные ионы неподвижны, т.к. находятся в узлах кристаллической решетки. Электроны и дырки являются подвижными носителями, поэтому в результате диффузии они проникают в соседний слой и взаимоуничтожаются друг с другом. Этот процесс называется рекомбинацией. В результате, в области контакта p-слоя и n-слоя возникает область, в которой отсутствуют подвижные носители. Оставшиеся ионы создают разность потенциалов , которая препятствует движению основных носителей. Указанная разность потенциалов называется потенциальным барьером p-n-перехода (контактной разностью потенциалов).

где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; N_а, N_д – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; р_р, р_n – концентрации дырок в р- и n- областях соответственно; n_i – собственная концентрация.

Величина зависит от свойств и температуры полупроводника. При комнатной температуре для кремниевого p-n-перехода В. Число положительных и отрицательных ионов внутри p-n-перехода равно, поэтому он является электрически нейтральным.

Отметим, что в одном слое основных носителей намного больше, чем в другом. Технологически удобнее внедрять акцепторную примесь, поэтому в p-слое дырок намного больше (в 100 – 1000 раз), чем в n-слое. В связи с этим p-n-переход по большей части находится в n-слое.

Если к переходу приложить внешнее напряжение «+» к p-слою, а «-» к n-слою, то это напряжение будет действовать против потенциала . В этом случае говорят, что к переходу приложено прямое напряжение. Если величина прямого напряжения больше , то потенциальный барьер исчезает и основные носители проходят через p-n-переход, который находится в прямом включении. Если к переходу приложить внешнее напряжение «-» к p-слою, а «+» к n-слою, то внешнее напряжение будет действовать в направлении , увеличивая потенциальный барьер p-n-перехода. Говорят, что переход находится в обратном включении, и в этом случае внешнее напряжение называется обратным напряжением. Обратное напряжение увеличивает ширину p-n-перехода, как бы отталкивая подвижные носители. Через закрытый переход течет небольшой тепловой ток (), обусловленный неосновными носителями зарядов.