Полупроводники. Часть вторая: Электронно-дырочный переход.

Вторая часть статьи о полупроводниках.
Как видно из названия, в ней рассказывается об электронно-дырочном переходе.

↑ Контакт двух полупроводников р и n-типов. Диффузия основных носителей

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


Концентрацию основных Носителей—дырок в р-области,— установившуюся при некоторой температуре, обозначим через pp0, а неосновных носителей —электронов — через np0. Концентрацию основных носителей — электронов — и неосновных носителей — дырок в n-области — обозначим соответственно через nn0 и pn0. Будем считать, что концентрации основных и неосновных носителей р-области соответственно равны концентрациям основных и неосновных носителей n-области, т. е. pp0=nn0 и pn0=np0.

Предположим, что р- и n-области соединены друг с другом (рис. 3.4, 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 р-область. Диффузия основных носителей через границу между р- и n-областями создает электрический ток. Этот ток называют диффузионным. Он содержит электронную и дырочную составляющие и направлен из р-области в n-область.

↑ Образование потенциального барьера. Контактная разность потенциалов

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 Eдиф, 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.

↑ Дрейф неосновных носителей.Образование электронно-дырочного перехода

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 р-область, т. е. навстречу диффузионному току. Если к р- и n-областям не подключен внешний источник напряжения и они не подвергаются никаким другим энергетическим воздействиям, потенциальный барьер между р-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).

↑ Прямое включение электронно-дырочного перехода

Если к р- и n-областям подключить внешний источник напряжения плюсом к р-области, а минусом к n-области (рис. 3.5, а), диффузионное поле р-n-перехода будет частично скомпенсировано полем вненшего источника. Потенциальный барьер р-n-перехода уменьшится и увеличится количество электронов и дырок, проникающих в противоположные области. Ток 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. 3.5, б).

↑ Обратное включение электронно-дырочного перехода

Если источник внешнего напряжения переключить плюсом к n-области и минусом к р-области (рис. 3.5, 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. 3.5, 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 электронно-дырочного перехода

Вольтамперпая 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. 3.6). 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. 3.7).

↑ Емкостные свойства электронно-дырочного перехода (ЭДП)

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 p-n-перехода и расстояние между «пластинами» конденсатора увеличатся, а его емкость уменьшится.

Эта емкость р-n-перехода получила название зарядной, или барьерной, 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-n-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.

Источник: В. И. Галкин, Начинающему радиолюбителю. М., 1983.

Камрад, рассмотри датагорские рекомендации