1.4. Свойства p-n перехода.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой — дырочную проводимость (рис. 7)., называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. р-n-переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Обе области полупроводника, изображенные на рисунке 8, электрически нейтральны. Отличия этих областей - в том, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая свободно перемещающиеся электроны.

В результате теплового хаотического движения (диффузии) дырки из левой области p-типа переходят в правую область n-типа, где быстро рекомбинирует с электронами. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд (рис. 8). Аналогично электроны из левой области переходят в правую, где рекомбинирует с дырками. В результате этого в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области - избыточный отрицательный заряд.

Появление этих зарядов ведет к возникновению электрического поля Е на границе областей полупроводника. Это поле отталкивает дырки p- области от границы раздела полупроводников, а электроны n-области - вправо от этой границы. С электрическим полем Е можно связать потенциальный барьер высотой W (рис. 8). Электрическое поле также вызывает движение неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из р- области). Этот ток неосновных носителей под действием электрического поля называют дрейфовым током в отличие от диффузного тока основных носителей. Электрическое поле р-n-перехода препятствует увеличению диффузного тока и не препятствует прохождению дрейфового тока через переход.

В отсутствии внешнего поля плотность тока основных носителей через р-n- переход равна

(3)

В состоянии равновесия этот ток будет компенсироваться током неосновных носителей. Устанавливается динамическое равновесие, при котором среднее значение тока I = I_диф + I_др = 0. На границе формируется область обедненная носителями, которая и является непосредственно p-n –переходом.

Если к р-n- переходу присоединить источник напряжения с положительным полюсом к р-области и отрицательным к n-области (рис. 8а), то высота потенциального барьера уменьшится на eU и станет равной W-eU. Диффузный ток основных носителей заряда резко возрастает в соответствии с формулой:

(4)

Такое включение р-n – перехода называется прямым. Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей.

Е сли к р-n- переходу приложить внешнюю разность потенциалов, как это показано на рис. 9б (так называемое обратное включение р-n- перехода), то внешнее поле Е_вн увеличит существующее на границе поле Е и высоту барьера. Т ок основных носителей от этого уменьшится. Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. На рис.9 изображены зависимости тока основных и неосновных носителей при «прямом» и «обратном» включении внешнего напряжения U (ВАХ).

ВАХ р-n- перехода нелинейная и несимметричная: в одну сторону р-n- переход проводит ток очень хорошо, а в другую - очень плохо. Исходя из (4), ток через р-n- переход может быть описан выражением

(5)

где I_неос - ток неосновных носителей или ток насыщения.

При U>0 │eU│ >>kT и exp(eU/kT) >>1 и I = I_неос (exp(еU/kT), ток экспоненциально изменяется с напряжением.

При U<0 и │eU│ >>kT и exp(eU/kT)<<1 и I = I_неос =const, ток стремится к постоянной величине.