1.2 Электронно-дырочный переход (р-n переход)

Монолитный полупроводниковый кристалл (рис.1.5), одна область которого является полупроводником р-типа, а другая n-типа , обладает уникальными свойствами.

Рис.1. 5. Монолитный полупроводниковый кристалл, состоящий из материалов р-типа и n- типа.

Напомним, что две области находятся в одном кристалле. А так как, в одной из них избыток электронов, а в другой дырок, то начинается диффузия (рассасывание свободно движущихся электронов и дырок). Электроны из n-области пересекают границу и р-области рекомбинируют с дырками. Около границы в р-области образуется тонкий слой имеющий избыточный отрицательный заряд. В n-области все происходит аналогичный процесс, но только с дырками. Уход дырок из приграничной р-области и электронов из при n-области приводит к образованию в этих областях обедненного подвижными зарядами слоя и появлению нескомпенсированного положительного заряда за счет ионов донорной примеси (в приграничной n-области) и отрицательного заряда за счет ионов акцепторной примеси (в приграничной р-области) (рис.1.6).

Рис.1.6. Двойной электрический слой на границе р-n перехода.

На границе образуется двойной электрический слой, создающий электрическое поле, вектор напряженности которого ( ), имеет такое направление, которое стремится ограничить дальнейший переход основных носителей из р-области в n-область и наоборот. Это же поле способствует переходу неосновных носителей через границу. Таким образом, на границе существует ток вызванный движением основных носителей , получивший название тока диффузии ( ) и ток, определяемый движением неосновных носителей, называемый дрейфовым ( ). Движение основных и неосновных зарядов идет постоянно, но так как ток диффузии и дрейфовый ток имеют разное направление, то полный ток через границу равен нулю. При этом появляется так называемая контактная разность потенциалов , претерпевающая наибольшее изменение на границе. Для германиевых р-n переходов , а для кремниевых (рис.1.7).

Рис.1.7 Контактная разность потенциалов на границе р-n переходе

Создадим в кристалле внешнее электрическое поле ( ). Для этого включим кристалл в замкнутую электрическую цепь (рис.1.8). При указанном направлении действующей в схеме э.д.с. (Е_Г) направления векторов напряженности Е и Е₀ противоположны, а следовательно, если Е₀ тормозит движение основных носителей зарядов, то Е действует наоборот.

Рис.1.8 Прямое включение р-n перехода

Очевидно, меняя величину э.д.с., мы будем менять величину напряженности внешнего электрического поля, а следовательно, будет меняться воздействие этого поля на основные и неосновные носители зарядов. В результате меняется величина полного тока через границу. Так как основных носителей значительно больше, то при указанной на рис.1.8 полярности

движению через границу основных носителей, которых значительно больше, чем неосновных. Данное включение получило название прямого включения. Полупроводник начинает проводить ток. Таким образом, оправдывается вторая составляющая этого слова.

Исследования физиков показали, что зависимость тока диффузии при прямом включении имеет следующий вид:

(1.1)

Где -тепловой или обратный ток насыщения, величина которого зависит, в первую очередь от материала, площади р-n перехода; e –заряд электрона; - напряжение приложенное к кристаллу; k-постоянная Больцмана; Т- абсолютная температура кристалла. Важно то обстоятельство, что ток диффузии при прямом включении экспоненциально зависит от приложенного напряжения. А так как, при этом включении дрейфовый ток очень мал, то вольтамперная характеристика р-n перехода имеет вид, показанный на рис.1.9 (прямая ветвь).

Рис.1.9 Прямая ветвь вольтамперной характеристики р-n перехода

Дадим оценку величин, входящих в выражение (1.1). При комнатной температуре, величина . Если В ,то выражение (1.1) можно записать следующим образом:

(1.2)

Из (1.2) следует, что если В, то ток равен . Для увеличения тока в 10 раз, напряжение на переходе должно стать равным: В, то есть возрасти на 57,5 мВ. Пожалуй, следует запомнить, что каждое увеличение прямого напряжения приблизительно на 60 мВ, приводит к увеличению тока в 10 раз по сравнению с предшествующим значением. С ростом температуры вольтамперная характеристика смещается в область более высоких значений токов (рис.1.9). Это объясняется тем, что с повышением температуры возрастает роль собственной электропроводности полупроводника.

Если поменять полярность источника, то получим обратное включение, при котором внешнее поле и поле зарядов действуют в одном направлении. Следовательно потенциальный барьер возрастает, движение основных зарядов (ток диффузии) уменьшается. Зависимость тока диффузии от обратного напряжения также носит экспоненциальный характер:

(1.3)

С ростом температуры вольтамперная характеристика также смещается в область более высоких значений токов. С увеличением величины обратного напряжения ток диффузии быстро убывает, и полный ток определяется только дрейфовой составляющей, обусловленной движением неосновных носителей. Увеличение обратного напряжения приводит при некотором значении к пробою р-n перехода и резкому увеличению тока. В этом случае возможна потеря свойств перехода. Различают три вида пробоев: туннельный (эффект Зенера), лавинный и тепловой. Если ток ограничен общим сопротивлением цепи, то пробой может носить обратимый характер. Полная вольтамперная характеристика р-n перехода показана на рис.1. 10.

Рис.1. 10 Вольтамперная характеристика р-n перехода

Следует заметить, что вольтамперная характеристика, при прямом включении, имеет участок шириной на протяжении которого, ток практически равен нулю. Величина равна контактной разности потенциалов на границе р-n перехода и составляет, как указывалось выше, для германиевых р-n переходов , а для кремниевых Обратите внимание, что при обратном включении, ток через р-n переход при достаточно большом изменении приложенного напряжения, практически не меняется (обратный участок). Это поможет в дальнейшем более отчетливо понять характеристики биполярного транзистора.