4 Свойства р-n перехода

Область на границе двух ПП с различными типами проводимости называется электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом.

Явления, происходящие в p-n-переходе, лежат в основе работы большинства ПП приборов.

p-n-переход в равновесном состоянии

На рис. (а) показана пластина германия, одна часть объема которой (n) легирована донорной примесью, т.е. обладает электронной проводимостью, а другая (p) – легирована акцепторной примесью, т.е. обладает дырочной проводимостью. Для простоты принимаем, что граница, разделяющая германий типа n и германий типа p, выражена очень резко.

На границе ПП слоев возникает большая разница в количестве электронов и дырок. Под воздействием этого градиента концентрации свободные заряды начнут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область пониженной концентрации, т.е. электроны начнут перемещаться из n-области в p-область.

Благодаря диффузии основных носителей нарушается электрическая нейтральность в ПП. Электроны, перешедшие в p-область, будут рекомбинировать с дырками, в результате чего в приконтактной части p-области появятся отрицательно заряженные неподвижные ионы акцепторной примеси. В свою очередь, уход электронов из n-области приводит к появлению в приконтактной части n-области положительно заряженных неподвижных ионов донорной примеси.

Таким образом, с обеих сторон границы раздела слоев германия образуются противоположные по знаку пространственные заряды. Распределение плотности (₀ ) этих зарядов показано на рис. в.

Двойной слой неподвижных электрических зарядов (ионов) создает на границе p- и n- областей объемный пространственный заряд, наличие которого приводит к появлению внутреннего электрического поля с разностью потенциалов порядка 0,35 В в германиевом и 0,65 В в кремниевом ПП. Эта разность потенциалов (ее называют потенциальным барьером ∆φ_ο ) (рис. г) препятствует диффузии основных носителей.

В нутреннее электрическое поле направлено так, что оно препятствует движению основных носителей зарядов, т.е. развитию того процесса, в результате которого возникло само поле.

С ростом напряженности внутреннего электрического поля интенсивность движения основных носителей зарядов через границу перехода снижается: все большее число электронов n-об­ласти и дырок р-области начинает отражаться этим полем от границы перехода и возвращаться обратно. Только часть основных носителей, обладающая повы­шенной энергией, будет все-таки проходить через переход.

Вместе с тем, внут­реннее поле р-п-перехода не препятствует движению неосновных носителей че­рез переход, так как для них оно будет ускоряющим. Через короткий промежуток времени при отсутствии внешне­го напряжения на р-п-переходе устанавливается динамическое равновесие, при котором взаим­но компенсируются как заряды донорных и акцепторных ионов, так и токи основных и неосновных носителей. При этом р-п-переход оказывается электрически нейтральным, а ток через него равным нулю.

Движение носителей, обусловленное разностью концентраций, называется диффузионным током, а движение под действием электрического поля – дрейфовым током.

Обеднение области p-n-перехода основными носителями зарядов приводит к тому, что эта область обладает повышенным сопротивлением, и поэтому p-n-переход часто называют запирающим (обедненным) слоем.

И менно этот слой и является собственно р-п-переходом: он имеет повышенное сопротивление, которое и оп­ределяет электрическое сопротивление всей системы.

Рассмотрим теперь явления, происходящие в р-п-переходе при подведе-нии к нему внешнего электрического поля.

р-п-переход в неравновесном состоянии

Если к ПП крис­таллу, в котором создан р-п-переход, приложить напряжение U плюсом к n-слою, а минусом к р-слою, то в результате этого на р-п- переходе по­явится внешнее электрическое поле, совпадающее (складывающееся) с его внутренним полем.

П отенциальный барьер возрастет, увеличится ширина р-п- перехода и его сопро­тивление. Такое включение перехода называют обратным.

На рис. изображена вольт-амперная характеристика р—п перехода.

При обратном включении ток через переход появляется при подаче напряжения и, достигнув значения тока насыщения, обусловленного дрейфом неосновных носителей, остается неизменным. Этот ток называют током насыщения, или, учитывая его природу,— тепловым током.

При больших значениях обратного напряжения движущиеся электроны приобретают большие скорости и, ударяясь об атомы, вызывают ударную ионизацню.

Кроме того, под действием сильного электрического поля часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Эти процессы нарастают лавинообразно и приводят к резкому увеличению тока через р-п переход — его электрическому пробою.

Вследствие увеличения тока повышается температура, энергия электронов возрастает, что в свою очередь облегчает их переход из валентной зоны в зону проводимости — возникает так называемым тепловой пробой. Таким образом, если не включить в цепь р-п перехода ограничительное сопротивление, полупроводник может перегреться и выйти из строя.

Если поменять полярность внешнего напряжения U — приложить плюс к р-слою, а минус к п-слою, то на переходе появится внешнее электрическое поле, которое будет направлено в сторону, противоположную внутрен­нему полю, что приведет к уменьшению высоты потенциального барьера, ширины и сопротивления р-п-перехода. Такое включение перехода называют прямым.

При прямом включении через р-п-переход пойдет ток, вызываемый движени­ем основных носителей заряда. Однако при |U|< |∆φ_ο| в переходе сохраняется слой, обедненный носителями заряда, из-за чего сопротивление р-п-перехода вначале сохраняет достаточно большую величину, следовательно, ток через пере­ход будет иметь малое значение, возрастая по экспоненте при увеличении U.

Когда |U|= |∆φ_ο|, ширина р-п-перехода практически становится равной нулю, а область, обедненная носителями заряда, исчезает. В результате полной ком­пенсации потенциального барьера внешним напряжением ПП кристалл превращается в своеобразный резистор, сопротивление которого опре­деляется малым собственным сопротивлением ПП кристалла.

При |U|> |∆φ_ο| поле уже является ускоряющим для основных носителей, и ток через переход круто возрастает.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р-п-перехода имеет вид, представленный ниже. В рисунке (а) использован одинаковый масштаб по горизонталь­ной и вертикальной осям, поэтому наглядно видно, что ВАХ р-п- перехода имеет четко выраженный вентильный эффект — большой ток при прямом смещении и ничтожно малый ток при обратном напряжении на переходе.

На рис. (б) масштаб в третьем квадранте изменен по сравнению с первым квадрантом. Видны отличия ВАХ германиевого и кремниевого переходов: из-за различной ширины запрещенной зоны обедненный носителями слой р-п-перехода в германиевом переходе исчезает при меньшем прямом напряжении (~0,3 В), чем в кремниевом (~0,6 …0,7 В), а обратный ток в кремниевом переходе значительно меньше, чем в гер­маниевом.

В процессе прохождения прямого тока электроны и дырки перехо­дят в области, для которых они являются неосновными носителями. Этот процесс носит название инжекции неосновных носителей.

Инжек­тированные носители, проникая на некоторую глубину, рекомбинируют с основными носителями, но при этом в результате прохождения тока от источника поступает соответствующее количество основных носителей: в область п переходят электроны с отрицательного полюса источника, а из области р уходят электроны на положительный полюс источника, оставляя незаполненные уровни — дырки.

Итак, в «чужой» области по мере продвижения в ее глубину кон­центрация неосновных носителей постепенно падает. Среднее расстоя­ние, на которое продвигаются неосновные носители до рекомбинации, называется диффузионной длиной (L). Практически L составляет 0,3—0,6 мм. На расстоянии L концентрация неосновных носителей уменьшается в е раз (е ≈2,72 — основание натуральных логарифмов). Время, в течение которого неосновные носители передвигаются на расстояние L, называют временем жизни носителей.

р—п переход обладает определенной электрической емкостью. Различают диффузионную и барьерную емкости.

При подключении к р—п переходу прямого напряжения происходит инжекция неосновных носителей. Дополнительный заряд, приходящийся на единицу прироста прямого напряжения, по физическому смыслу представляет собой емкость С = Δq/ΔU, которую называют диффузионной емкостью.

По мере увеличения прямого напряжения значение диффузионной емкости увеличивается. При обратных напряжениях инжекция отсутствует и диффузионная емкость равна нулю.

При отсутствии внешнего напряжения, а также при обратных на­пряжениях р-п переход можно рассматривать как два заряженных проводника (р- и п-области), разделенные диэлектриком — запираю­щим слоем, т. е. как конденсатор, емкость которого зависит от ширины запирающего слоя. Эту емкость называют барьерной или зарядной.

Барьерная емкость отсутствует при прямых напряжениях, так как при этом переход ведет себя как обычный проводник. При изменении обратного напряжения изменяется ширина запирающего слоя, поэтому значение барьерной емкости зависит от значения приложенного к пе­реходу обратного напряжения. На этом явлении основана работа схем, где р-п- переход играет роль конденсатора, емкость которого зависит от амплитуды приложенного напряжения (варикап).

р-п - переход может нормально работать только в определенном диапазоне температур. При очень низких температурах (ниже минус 60 °С) электроны донорных атомов не могут преодолеть даже ту узкую за­прещенную зону, которая отделяет их от зоны проводимости основного полупроводника; поэтому в нем практически отсутствуют основные носители.

При высоких температурах энергия электронов валентной зоны основных атомов достаточна для перехода в зону проводимости, по­лупроводник превращается в обычный проводник. При этом теряются его вентильные свойства, а ток через переход резко возрастает. В ре­зультате этого происходит дальнейший разогрев полупроводника, и процесс может, лавинообразно нарастая, привести к расплавлению и выходу из строя прибора (тепловой пробой). Предельно допустимая температура германиевых приборов составляет +70°С, а кремние­вых + 125 °С.

Пробой р-п-перехода. При достижении обратным напряжением определенного критического значения наблюдается значительное уменьшение его сопро­тивления, сопровождающееся резким увеличением обратного тока. Это явление называют пробоем р-п-перехода. Различают 3 вида пробоя: туннельный, лавинный и тепловой.

Туннельный и лавинный пробои объединяют под названием электрического пробоя. При электрическом пробое в р-п-переходе не происходит необратимых изменений его структуры и после снятия напряжения работоспособность перехода сохраняется.

Третий вид пробоя — тепловой возникает из-за потери устойчивости теплово­го режима перехода. При увеличении приложенного к переходу обратного напря­жения мощность, рассеиваемая на нем, растёт. Это приводит к увеличению тем­пературы перехода и соседних с ним областей полупроводника. Увеличение тем­пературы вызывает повышение обратного тока и рассеиваемой мощности. Особенность теплового пробоя состоит в том, что он локализуется в «слабых» местах, что приводит к разрушению перехода.

Особую роль играют электрические переходы металл—полупроводник (М—ПП). Свойства контакта М — ПП определяются типом электропроводности ПП и соотношением ра­бот выхода из металла А_m и полупроводника А_п.

Рассмотрим контакт металла с полупроводником п-типа при соотношении А_m > А_п.

Металл содержит много свободных электронов и положительно заряженных ионов. В целом металл электрически нейтрален. Полупроводник п-типа также содержит большое количество свободных электронов, заряд которых скомпенсирован атомами донорной примеси.

При образовании контакта металл-полупроводник на свободные электроны, оказавшиеся вблизи границы раздела, будут воздействовать силы притяжения со стороны как атомов кристаллической решетки металла, так и атомов донорной примеси полупроводника. Преобладающим будет притяжение со стороны той среды, у которой больше работа выхода.

Работа выхода (А) — это работа, которую необходимо затратить для преодоления сил притяжения свободного электрона к атомам кристаллической решетки и перевода его из металла (полупроводника) в вакуум вблизи поверхности металла (полупроводника).

Свободные электроны начнут переходить из полупроводника в металл (А_m > А_п), заряжая его отрицательно. В полупроводнике вблизи границы раздела появятся нескомпенсированные положительные заряды атомов донорной при­меси (см. рис.).

В результате ухода электронов в металл в полупроводнике образуется слой, обедненный основными носителями заряда — электронами.

Этот слой имеет высокое удельное сопротивление и определяет сопротивление всего контакта, поэтому он носит название запи­рающего слоя.

При этом возникает потенциальный барьер, препятствующий передвижению элек­тронов из полупроводника в металл.

Если к такому переходу приложить внешнее напряжение (к металлу «—», а к полупроводнику «+»), то под действием электрического поля, созданного внешним источником, свободные электроны в полупроводнике сместятся от приконтактной области в глубь полупроводника. Ширина запирающего слоя увеличится, и сопротивле­ние контакта возрастет. Это обратное включение.

Если изменить полярность внешнего напряжения, то ширина запирающего слоя и его сопротивление уменьшатся по сравнению с первоначальным значени­ем, что соответствует прямому включению контакта.

Исследованиями контактов М – ПП занимался немецкий уче­ный В. Шоттки, поэтому контакт М – ПП с запирающим слоем называют барьером Шоттки.

Поскольку в контактах М – ПП отсутствуют явления инжекции и на­копления неосновных носителей заряда, они имеют очень малую инерционность (обусловленную лишь барьерной емкостью перехода). Благодаря этому контак­ты М – ПП могут применяться на сверхвысоких частотах. В этом их преимущество перед р-п-переходом.