фІЗИЧНІОСНОВИРОБОТИНАПІВПРОВІДНИКОвИХПРИЛАДІВ

1.2. Фізичні основи роботи електронно-діркового переходу (p-n переходу)

Розглянемо приклад, коли у роз­плав чистого германію додається домішка п'ятивалентного елемен­та (V група таблиці Менделєєва), наприклад, арсену (As), як показа­но нарис. 1.2.

При застиганні у деяких вузлах кристалічних граток германію його атоми заміщуються атомами до­мішки. При цьому чотири валент­них електрони домішки створюють систему ковалентних зв'язків з чо-

надлишковий електрон

позитивний Іон

носіїв зарядів. 3 іншого боку, воно виявляється прискорюючим для не­основних рухомих носіїв зарядів (теплових), внаслідок чого через межу між НП виникає дрейфова складова струму г_др, протилежна дифузійній складовій і_диф, зумовленій рухом основних носіїв зарядів (внаслідок про­тікання і_дшф відбувається рекомбінація рухомих основних носіїв зарядів). У сталому становищі

_R . . U+'* = 0- (1-1)

Ця ршновага настає за певної контактної різниці потенціалів, що визначаєть-^Ся величиною об'ємного заряду і називається потенціальним бар'єром ф.

Рис. 1.2 - Кристалічні ґратки германію з донорною домішкою тирма валентними електронами германію, а п'ятий електрон домішки виявляється надлишковим.

Домішка, що віддає вільні електрони, називається донорною. НП з переважаючою кількістю вільних електронів має назву НП з електрон­ною провідністю, або НП и-типу. Вільні електрони залишають у вузлах кристалічних граток нерухомі позитивно заряджені іони, що створю­ють у кристалі позитивний об'ємний заряд.

Р озглянемо введення у германій до­мішки з трьома валентними електронами (III групатаблиці Менделєєва), наприклад, індію (In), як це показано на рис. 1.3.

дірка

Для утворення ковалентного зв'язку між Ge та In одного електрона не вистачає. При дії теплоти навколишнього середовища електрони з верхнього рівня валентноїзони переміщуються на рівень домішки, ство-

Рис 1 3 - Кристалічні рюючи зв'язки, яких не вистачає, завдяки ґратки германію чому у валентній зоні утворюються рухомі закцепторноюдомішкою дірки, а атоми домішкиперетворюються у негативні іони. Така домішка називається акцепторною, а НП з пере­важною кількістю дірок - НП з дірковою провідністю, або^-типу. Пе­реважаючі у НП рухомі носії заряду мають назву основних, решта -неосновних.

p-n переходом називається вузька зона на межі між шарами НП p- \ n-типу, як зображено на рис. 1.4.

Фізичні процеси, що відбуваються у p-n переході, визначають параметри та характеристики більшості НП приладів.

Допустимо, що концентрація основ­них носіїв у обидвох шарах НП одна­кова. При об'єднанні двох НП виникає взаємна дифузія (яку можна вважати за дифузійний струм г) електронів із л-шару у р-шар (вони заповнюють вільні ковалентні зв'язки), а дірок у про­тилежному напрямку. Внаслідок цього у приконтактній зоні НП р-типу (зав­даси іонам акцепторної домішки fTj) з'являється негативний заряд, а у при­контактній зоні и-типу (завдяки іонам донорноїдомішки f+]) - позитивний за-ряд. Між цими зарядами виникає внутрішнє електричне поле з напруже­ністю Е_т, яке гальмує рух основних

основні носІІ

неосновні \ _^ носії ч__д

Э09ОТ T0OQO

IOHU

Рис. 1.4 - Утворення на межі між шарами p- та л-типу

p-n переходуз потенціальним бар'єром p

фІЗИЧНІ ОСНОВИ РОБОТИНАПІВПРОВІДНИКОВИХПРИЛАДІВ

Величина ф_к залежить від матеріалу НП і його температури. Для германію q= (0,4 - 0,6) В, для кремнію q= (0,6 - 0,8) В.

Зона об'ємного заряду - це й є електронно-дірковий перехід (p-n перехід). Ширина його, позначена як L, вимірюється десятками мікронів. Оскільки yp-n переході відсутні рухомі носії зарядів (він заповнений нерухомими іонами), то його електричний опір дуже великий.

Розглянемо поведінку p-n переходу при підімкненні до нього зовнішньої на­пруги. Можливе пряме або зворотнє вмикання.

При зворотньому вмиканні, як пока­зано на рис. 1.5, яор-п переходу при­кладається зовнішня напруга U_3H, внас­лідок чого до його внутрішнього елек­тричного поля додається зовнішнє елек­тричне поле з напруженістю Е_зн. У ре­зультаті поле в p-n переході зростає і дорівнює

Рис. 1.5 - Зворотнє вмикання p-n переходу

(1.2)

— Е_вн + Е_зн

Оскільки електричний onipjE?-n переходу дуже великий, практично вся напруга U_m прикладається до нього.

Отже, різниця потенціалів на переході становить

(1.3)

де ф - результуюча різниця потенціалів.

Запірні властивості переходу при цьому зростають і дифузійна скла­дова струму і_диф зменшується, а дрейфова і не змінюється (бо зале­жить лише від ступеня нагріву речовини) і через перехід протікає зво­ротний струм

Ізв ^{= І}др ~¹'дІІф (l-4)

Оскільки *_dl,—>0, то зворотний струм визначається концентрацією неосновних носіїв зарядів і є незначним за величиною.

При прямому вмиканні, як показано на рис. 1 .6, за зазначеною полярністю зовнішньоїнапруги зовнішнє електрич­не поле спрямоване назустріч внутріш­ньому і результуюча напруженість зменшується

При цьому і_дцф зростає, а і змен­шується. Різниця потенціалів становить

Рис. 1.6 - Пряме вмикання p-n переходу

q>pe,=q>K-U,,,. (1.6)

У цьому випадку через перехід тече прямий струм

^np ~ ^дuф

(1.7)

Він обумовлюється дифузійною складовою струму, тобто залежить від концентрації основних рухомих носіїв зарядів і є великим за вели­чиною.

Таким чином,^-« перехід має вентильні властивості (від німецького слова ven/zV-клапан), тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотньому - значний.

<np І

BAX

изв і	І '38 . V	/	— S.	/ ^
	f 1	\
	V3		<Рк
	\ к
\			/39

Оскільки yp-n переходу явно вира­жені нелінійні властивості, то залежність струму, що через нього протікає, від прикла-деної напруги ілюструють за допомогою вольт-амперної характеристи­ки (BAX).

Теоретична BAX p-n переходу показана на Рис. 1.7. Вона має пря- ^мУ(1)тазворотню(2,3) ^Плки- Рис. 1.7 - Теоретична BAX p-n переходу

Якщо напруга прямого вмикання U <ф, через перехід, опір якого великий, тече малий струм. Як тільки зі збільшенням U_n воно досягне величини U_n =ф_у, запірні властивості p-n переходу зникають і струм через перехід визначається лише провідністю p- і n- областей.

При зростанні від нуля зворотної напруги U , швидкість руху не-основнихносіївчерезперехідзростає.При^ =U швидкістьрухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації - вибивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбу­вається лавиноподібний зріст зворотнього струму. Це явище називаєть­ся електричним пробоєм^-и переходу, a U - напругою пробою. Якщо при цъомур-n перехід ефективно охолоджується, різке зростання по­тужності, що в ньому виділяється(^/ 7 ), не призводить до суттєвих змін температури структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі. Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні U запірні властивості p-n переходу відновлюються (гілка 2 BAX).

Явище електричного пробою використовується, наприклад, при ство­ренні такого НП приладу, як стабілітрон.

При неефективному тепловідведенні, температура структури зрос­тає (кількість рухомих носіїв при цьому збільшується за рахунок теп­лової генерації), доки електричний пробій не переходить у тепловий, коли матеріал розплавляється \p-n перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний (гілка 3 BAX).

Отже, p-n перехід - це явище, що виникає на межі двох НП різного типу провідності і характеризується відсутністю у прилеглій до цієї межі зоні вільних носіїв заряду, через що її-опір нескінченний. Тому^-л пере-хідщеназиваютьзапірнимшаром.

Насамкінець зазначимо властивості^-п переходу, які (в основному) використовуються при побудові електронних НП приладів:

1. одностороння провідність (вентильні властивості);

2. дуже великий опір зонир-п переходу як зони, де немає вільних носіїв заряду (запірні властивості);

3. зміна ширинир-и переходу зі зміною величини зворотньої напру­ ги (як результат - зміна ємності^-n переходу);

4. стабільність напруги на^-n переході в режимі електричного пробою;

5. наявність неосновних носіїв (що виникають внаслідок теплової генерації) в шарах^- і п-типу.

Контрольні питання до першого розділу :

1. Поясніть, що таке напівпровідники (чисті і домішкові).

2. Що таке p-n перехід?

3. Що таке пряме і зворотнє вмикання p-n переходу? Поясніть поведінку p-n переходу при прямому і зворотньому вмиканні.

4. Що таке BAX і який вигляд вона має у p-n переходу?

5. Вкажіть властивості р-п переходу, які використовують при побудові напівпровідникових електронних приладів.