2.5 Образование p-n перехода. P-n переход в равновесном состояние

Рассмотрим подробнее процесс образования p-n перехода. Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Считаем, что концентрация примесей одинакова N_A=N_D. На границе p и n областей имеет место градиент концентрации свободных носителей заряда. За счёт диффузии электроны из n -области переходят в p-область, где рекомбинируют с дырками, а дырки из p -области переходят в - n область, где рекомбинируют с электронами. В результате вблизи границы в p-области образуется отрицательный пространственный заряд, образованный ионами акцепторной примес и, а в n-области положительный пространственный заряд образованный ионами донорной примеси. Отметим, что эти ионы жестко закреплены в узлах кристалической решетки и перемещатся не могут. Между зарядами ионов создаётся электрическое поле напряженностью E_к, которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины n и p-областей через p-n переход. Таким образом, p-n переход представляет собой область, обеднённую свободными (подвижными) носителями заряда. P-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

1. высота потенциального барьера. Она равна контактной разности потенциалов φ_к,. Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд чтобы преодолеть потенциальный барьер:

где k — постоянная Больцмана; е — заряд электрона; Т — температура; N_а и N_Д — концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; р_р и р_n„ — концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; n_i,- — собственная концентрация носителей заряда в нелигированном полупроводнике, _т=кТ/е - температурный потенциал. При температуре Т=27⁰С _т=0.025В, для германиевого перехода _к=0,7В, для кремниевого перехода _к=1,1В.

2. ширина p-n-перехода – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p и n областях l_p-n = l_p + l_n:

, отсюда ,

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость материала полупроводника; ε₀ — диэлектрическая постоянная свободного пространства.

Толщина электронно-дырочных переходов имеет порядок (0,1-10)мкм. Если , то p-n переход называется симметричным, т. е. , если , то (не симметричный p-n переход), причём он располагается в области полупроводника с меньшей концентрацией примеси.

В равновесном состоянии (без внешнего напряжения) через р-п переход движутся два встречных потока зарядов (протекают два тока). Это дрейфовый ток неосновных носителей заряда и диффузионный ток, который связан с основными носителями заряда. Так как внешнее напряжение отсутствует и тока во внешней цепи нет, то дрейфовый ток и диффузионный ток взаимно уравновешиваются и результирующий ток равен нулю

I_др + I_диф = 0.

Это соотношение называют условие динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа в изолированном (равновесном) p-n- переходе.

Поверхность, по которой контактируют p и n области называется металлургической границей, а примыкающие к ней области объемных зарядов - p-n- переходом. Реально металлургическая граница имеет конечную толщину - δ_м. Если δ_м << l_p-n, то p-n-переход называют резким. Если δ_м >> l_p-n, то p-n-переход называют плавным.

2.6 Р-n переход при внешнем напряжении, приложенном к нему

Внешнее напряжение прикладываемое к p и n областям нарушает динамическое равновесие токов в p-n-переходе. p-n переход переходит в неравновесное состояние. . В зависимости от полярности напряжения приложенного к областям в p-n-перехода возможно два режима работы.

1 ) Прямое смещение p-n перехода. Р-n переход считается смещённым в прямом направлении, если положительный полюс источника питания подсоединен к р-области, а отрицательный к n-области (рис. .)

При прямом смещении внешнее напряжение U прикладывается к p-n-переходу, и направлено встречно _к. Результирующее напряжение на p-n переходе убывает до величины _к - U. Это приводит к тому, что p-n переход сужается т.к. l_p-n ~ (φ_к –U)^1/2 , а напряженность электрического поля убывает и возобновляется процесс диффузии основных носителей заряда. Ток диффузии связан сосновными носителями заряда, а потому может достигать больших величин. Он становится много больше дрейфового тока. Этот диффузионный ток через p-n переход называют прямым током

I_пр=I_диф+I_др I_диф.

При протекании прямого тока основные носители заряда р-области переходят в n-область, где становятся неосновными. Диффузионный процесс введения основных носителей заряда в область, где они становятся неосновными, называется инжекцией, а прямой ток – диффузионным током или током инжекции. Для компенсации неосновных носителей заряда накапливающихся в p и n-областях во внешней цепи возникает электронный ток от источника напряжения, т.е. принцип электронейтральности сохраняется.

П ри увеличении U ток резко возрастает, - температурный потенциал, и может достигать больших величин т.к. связан с основными носителями.

2) Обратное смещение, возникает когда к р- области приложен минус, а к n-области плюс, внешнего источника напряжения (рис. ).

Такое внешнее напряжение U прикладывается к p-n переходу и включено согласно с _к. Результирующее напряжение на p-n переходе возрастает до величины _к + U. При этом: ширина p-n перехода увеличивается, а напряженность электрического поля возрастает, процесс диффузии полностью прекращается и через p-n переход протекает обратный дрейфовый ток (это тепловой ток I₀, определяемый неосновными носителями заряда, которые возникают из-за термогенерации), т.е.

I_р-n=I_обр=I_диф+I_др I_др= I_0.

Этот ток мал по величине т.к. связан с неосновными носителями заряда, концентрация которых мала. Таким образом, p-n перехода обладает односторонней проводимостью, т.е. I_пр >> I_обр.

При обратном смещении концентрация неосновных носителей заряда на границе перехода несколько снижается по сравнению с равновесной. Это приводит к диффузии неосновных носителей заряда из глубины p и n-областей к границе p-n перехода. Достигнув ее они попадают в сильное электрическое поле и переносятся через p-n переход, где становятся основными носителями заряда. Диффузия неосновных носителей заряда к границе p-n перехода и дрейф через него в область, где они становятся основными носителями заряда, называется экстракцией. Экстракция и создает обратный ток p-n перехода.

Величина обратного тока сильно зависит: от температуры окружающей среды, материала полупроводника и площади p-n перехода.

Т емпературная зависимость обратного тока определяется выражением , где - номинальная температура, - фактическая температура, - температура удвоения теплового тока .

Тепловой ток кремниевого перехода много меньше теплового токо переехода на основе германия (на 3-4 порядка). Это связано с _к материала.

С увеличением площади перехода возрастает его обьем, а следовательно возрастает число неосновных носителей появляющихся в результате термогенерации и тепловой ток.

В целом, прямом и обратном смещении, вольт амперная характеристика I=f(U) определяется выражением . График вольт амперной характеристики приведен на рис. .

Главное свойство p-n перехода – это его односторонняя проводимость, т.е. способность пропускать ток в прямом направлении и практически не пропускать в обратном. Для наглядности прямая и обратная ветви показаны в разных масштабах, например, по току отличающихся в тысячу раз.

Если прямую и обратную ветвь построить в одном масштабе то ВАХ p-n перехода имеет вид, как показано на рис. . Из рисунка четко видно, что p-n переход обладает односторонней проводимостью, т. е. I_пр>>I_обр или R_пр<<R_обр.

Дифференциальное сопротивление p-n перехода определяется из соотношения r_диф= _т/I. Так, например, при I=1мА и _т=25мВ r_диф=25Ом.