Лекция 1 Электронно-дырочный переход. Полупроводниковые диоды

1.1 Электронно-дырочный переход и его вольт-амперная характеристика

Работа практически всех полупроводниковых приборов основана на использовании свойств - перехода, который образуется на месте контакта двух полупроводников различного типа проводимости. В полупроводнике типа основными носителями являются дырки, их высокая концентрация получена за счет введения акцепторной примеси. В полупроводнике типа основными носителями являются электроны, их высокая концентрация получена за счет введения донорной примеси. Если обеспечить надежный электрический контакт между полупроводниками – и – типа (например, путем контактной сварки), то из-за градиента концентрации носителей в области контакта возникает диффузионный поток дырок из – области в – область и встречный поток электронов из – области в – область. Эти потоки, обусловленные инжекцией электронов и дырок через область контакта, называют диффузионными. Общий диффузионный ток направлен из области в (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 -. Электронно-дырочный переход

при отсутствии внешнего электрического поля

Преодолев границу контакта, электроны и дырки попадают в области, в которых они являются неосновными носителями, и под действием сил притяжения диффундируют внутрь полупроводника, где встречаются с основными носителями и образуют нейтральную частицу – рекомбинируют. После ухода дырок из – области вблизи границы раздела остается объемный отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторной примеси, и, точно так же появляется объемный положительный заряд донорных атомов в – области. Очень важно понять, что эти заряды неподвижны!

Таким образом, формируется двойной слой электрических зарядов (аналог конденсатора), электрическое поле которого создает потенциальный барьер , препятствующий дальнейшей диффузии электронов и дырок

Внутреннее электрическое поле вызывает движение (дрейф) неосновных носителей заряда, которые возникают в результате термогенерации. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному току и уравновешивает его. Суммарный ток через переход равен нулю.

Электронно-дырочный переход лишен подвижных носителей заряда и обладает очень большим сопротивлением. Ширина этого слоя , составляющая доли микрон, зависит от концентраций акцепторной и донорной примесей. Объемные заряды по обе стороны границы раздела равны

, (1.1)

где - заряд электрона.

- ширина - перехода в - области;

- ширина - перехода в - области.

Если , то такой переход имеет одинаковой длины участки , , и его называют симметричным. Часто , тогда , т.е. переход несимметричный, он смещен в - область.

Для изучения свойств - перехода к нему подключают внешний источник напряжения, при этом возможны два варианта: прямое включение и обратное.

Прямое включение электронно-дырочного перехода (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Прямое включение - перехода

Положительный полюс источника подключается к – области, а отрицательный к – области. Из-за встречного направления внешнего и внутреннего электрических полей потенциальный барьер снижается на величину

.В результате этого увеличивается диффузионная составляющая тока через переход , т.к. возрастает количество носителей, обладающих энергией достаточной для преодоления уменьшенного потенциального барьера. Дрейфовая составляющая тока, определяемая только количеством неосновных носителей, остается постоянной. Таким образом, возникает прямой ток через переход . По мере роста прямого напряжения потенциальный барьер снижается, ширина - перехода уменьшается, а при , потенциальный барьер и переход исчезают. Прямой ток стремится к бесконечности.

Обратное включение (рисунок 1.3).. Положительный полюс источника

подключается к , а отрицательный полюс к - области. Это приводит к увеличению результирующего электрического поля и к росту потенциального барьера

.

Диффузионная составляющая тока уменьшается, т.к. меньшее число основных носителей заряда способно преодолеть возросший потенциальный барьер, а дрейфовый ток остается неизменным, его величина зависит только от концентрации неосновных носителей заряда. При диффузионный ток практически равен нулю, а обратный ток стремится к току дрейфа.

Рисунок 1.3 - Обратное включение - перехода

При обратном включении - перехода заряд двойного электрического слоя увеличивается из-за роста суммарного электрического поля, а, следовательно, ширина перехода увеличится.

Вольт-амперная характеристика - перехода (рисунок 1.4). имеет две ветви прямую I и обратную II. Сопоставляя прямой ток (ветвь I), который создается диффузией основных носителей и обратный ток (ветвь II), создаваемый за счет дрейфа неосновных носителей; учитывая, что концентрация основных носителей много больше, чем концентрация неосновных, можно сделать вывод об односторонней проводимости электронно-дырочного перехода.

Рисунок 1.4 -. Вольт-амперная характеристика - перехода.

Прямая ветвь ВАХ – I; обратная ветвь ВАХ - II

Аналитическое выражение, описывающее вольт-амперную характеристику - перехода, имеет вид:

, (1.2)

где - ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда,

- тепловой потенциал (при ).

Из этого выражения видно, что при , ток через переход равен нулю; в случае прямого напряжения единицей можно пренебречь и зависимость будет носить экспоненциальный характер, а при обратном напряжении величину можно не учитывать и тогда .

Пробой перехода. При некотором критическом значении обратного напряжения на переходе малый обратный ток начинает резко возрастать (рисунок 1.5). Это явление называют пробоем перехода.

Рисунок 1.5 -. Вольт-амперная характеристика перехода с участком пробоя

Существуют три основных механизма пробоя: тепловой, лавинный и полевой (туннельный). Два последних механизма пробоя – электрические.

Резкий рост обратного тока в переходе возможен при увеличении числа неосновных носителей в самом переходе. При тепловом пробое это происходит за счет выделения тепла на сопротивлении перехода при прохождении через него обратного тока, что приводит к повышению температуры кристалла и необратимым структурным изменениям.

Лавинный пробой перехода – это пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Неосновные носители, проходя через область - перехода при обратном напряжении, приобретают в сильном электрическом поле на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар, путем ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь образованные носители тоже попадают в сильное электрическое поле и на длине свободного пробега приобретают достаточную энергию для ионизации следующего атома. Процесс развивается лавинообразно, что и отражает название пробоя.

Туннельным пробоем - перехода называют пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда через запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование возможно, если толщина перехода, который должны преодолеть электроны, достаточно мала, при этом проявляются волновые свойства электрона.