Теоретическое введение. 1. 1. Образование р-n-перехода

1.1.Образование р-n-перехода

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой дырочную проводимость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Обладая односторонней проводимостью, эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления и преобразования переменных токов.

Р-n- переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кристалл германия n- типа накладывается индиевая «таблетка» (см. рис.1 а). Эта система нагревается примерно до 500°С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на некоторую глубину в германий. Затем расплав медленно охлаждают. Так как германий, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и германия n- типа образуется р-n- переход (рис.1б).

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n- переходе. Пусть донорный полупроводник приводится в контакт (рис.2) с акцепторным полупроводником.

Электроны из n -полупро-водника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р- полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении - в направлении р ® n.

Диффундируя во встречных направлениях через пограничный слой, дырки и электроны рекомбинируют друг с другом. Поэтому р-n- переход оказывается сильно обедненным носителями тока и приобретает большое сопротивление. В n- полупроводнике, из-за ухода электронов, вблизи границы остается нескомпенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизированных атомов. В р- полупроводнике, из-за ухода дырок, вблизи границы образуется положительный объемный заряд неподвижных ионизованных акцепторов (рис.2).

Таким образом, р-n- переход -это область, обедненная носителями тока (дырками и электронами), в которой при контакте полупроводников возникает объемный заряд (отрицательные ионы акцепторов, положительные ионы доноров, - и те и другие ионы жестко закреплены в узлах кристаллической решетки и поэтому не являются носителями тока). Возникший в месте контакта объемный заряд формирует потенциальные барьеры, препятствующие проникновению в эту область основных носителей тока - дырок из р- и электронов из n- полупроводника. Но те же потенциальные барьеры способствуют переходу неосновных носителей тока через р-n- переход. Для р- полупроводника неосновными носителями тока являются электроны, для n- полупроводника -дырки, и потенциальные барьеры способствуют притоку неосновных носителей в область р-n- перехода: через р-n- переход протекают токи дырок из n- в р- область и электронов из р- в n- область. Эти токи малы, т.к. концентрации неосновных носителей малы. В равновесном состоянии токи неосновных носителей компенсируются диффузионными токами основных носителей, так что суммарный ток через р-n- переход равен нулю.

Толщина d слоя р-n- перехода в полупроводниках составляет примерно 10^-6 ¸10^-7 м, а контактная разность потенциалов - десятые доли вольт. Основные носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т.е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением).

1.2.Выпрямляющее действие р-n-перехода

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р-n- переходу внешнее электрическое поле направлено от n- полупроводника к р- полупроводнику (рис. 3а), т.е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n- полупроводнике и дырок в р- полупроводнике от границы р-n- перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет, т.е. потенциальные барьеры для дырок и электронов возрастут. Ток неосновных носителей должен возрасти, но так как число неосновных носителей мало, то этот поток очень быстро достигает насыщения и при дальнейшем увеличении внешней разности потенциалов не изменяется, оставаясь очень малым по величине. Через р-n- переход будет протекать очень маленький ток, называемый «обратным». Такое включение внешнего напряжения называется запирающим (обратным).

Если приложенное к р-n- переходу внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (см. рис. 3б), то оно вызывает движение электронов в n- полупроводнике и дырок в р- полупроводнике к границе р-n- перехода навстречу друг к другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются, т.е. уменьшается высота потенциальных барьеров для дырок и электронов. В этих условиях резко возрастает диффузионный поток дырок из р- в n- область и электронов из n- в р- область. Через переход потечет ток в направлении от р- полупроводника к n- полупроводнику, величина которого будет сильно зависеть от приложенной внешней разности потенциалов. Такое включение внешнего напряжения называется пропускным (прямым).

График зависимости тока через р-n- переход от приложенного внешнего напряжения показан на рис.4. Обратите внимание на масштаб оси напряжения: в прямом направлении масштаб оси напряжения на порядок меньше, чем при обратном. При больших обратных напряжениях неосновные носители приобретают при движении через переход большую энергию и начинают разогревать его. Из-за увеличения температуры возрастает число неосновных носителей в полупроводнике и обратный ток возрастает. Процесс лавинообразно нарастает, и саморазогрев р-n- перехода приводит к тепловому пробою (р-n- переход на таких участках выгорает, образуя проводящие мостики; на графике «пробойное» напряжение обозначено U_пр.

Р-n- переход с вольтамперной характеристикой, приведенной на рис.4, обладает выпрямляющим действием. Покажем это. Пусть на р-n- переход подается переменное напряжение U_~ (рис.5). В те моменты времени, когда внешнее напряжение имеет полярность, соответствующую пропускному направлению, через переход протекает большой ток. Когда полярность U_~ совпадает с запирающим направлением, ток через переход почти равен 0. То есть через переход протекает ток фактически одной полярности, он называется выпрямленным.

Таким образом, р-n- переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) проводимостью.

Дата добавления: 2015-11-03