1.3. Електронно-дірковий перехід

Межа між двома сусідніми областями напівпровідника, що мають різний характер електропровідності між шарами р- і n-типу, назива­ється електронно-дірковим переходом, або р-n­-переходом. Такий перехід є основою біль­шості напівпровідникових приладів. У наш час в напівпровідниковій електроніці найбільш широко застосовуються площинні й точкові р-n-переходи.

Площинний р-n-перехiд являє собою шарово-контактний елемент в об’ємі криста­ла на межі двох напівпровідників з провід­ностями р- і n-типів (рис. 1.4, а). У виробництві ­

Рис. 1.4

напівпровідникових приладів та інтег­ральних мікросхем застосовують переходи типу

р⁺ – n або р – n ⁺, а також n⁺ – n (електронно-електронний) р⁺ – р (дірково-дірковий) переходи. Індекс «+» підкреслює більшу електропровідність даної області монокристала. За способом ви­готовлення площинні р-n-переходи поділяються на вирощені, сплавні та дифузійні. Останнім часом при формуванні p-n-перехо­дів мікросхем (особливо р-n та n+ - n-типів) широко застосову­ється епітаксійно-планарна технологія виготовлення.

При формуванні точкового p-n-переходу через точковий контакт вістря (діаметром 10-20 мкм) металевої пружини з напівпровідником основної маси кристала n-типу пропускають протягом частини секун­ди імпульс струму порівняно великої потужності. При цьому в мікро­об'ємі під вістрям змінюється тип електропровідності за рахунок дифузії домішки з вістря пружини в напівпровідник. На межі поділу

Рис. 1.5

р- і n-шарів створюється напівсферичний р-n-перехiд (рис. 1.4, б) діаметром порядку десятків мікрометрів.

Розглянемо електронні процеси в робочих областях кристала і в самому p-n-переході у відсутності зовнішнього електричного поля, а також за умови, що на межі поділу областей відсутні механічні де­фекти та інші включення (рис. 1.5, а).

Оскільки концентрація дірок у напівпровіднику p-типу набагато більша, ніж у напівпровіднику n-типу, і, навпаки, в напівпровіднику n-типу висока концентрація електронів, то на межі поділу напівпровід­ників з різною електропровідністю створюється перепад (градієнт) концентрації дірок та електронів. Це викликає дифузійне переміщен­ня дірок з p-області в n-область і електронів у протилежному напрямі. Густини діркової та електронної складових дифузійного струму при цьому відповідно j_рдиф та j_nдиф.

Внаслідок відходу дірок з приконтактної області p-типу та електронів з приконтактної області n-типу на цих ділянках створюється збіднений на рухомі носії заряду шар і з'являється нескомпенсований від'ємний заряд за рахунок іонів акцепторної домішки (в при­контактній області p-типу) і позитивний заряд за рахунок іонів донор­ної домішки (в приконтактній області n-типу). На рис, 1.5, а збідне­ний шар відмічений кружечками зі знаками «-» та «+», що позначають негативні та позитивні іони відповідно акцепторної та донорної домішки. Таким чином, збіднений шар - це область напівпровідника з пев­ною густиною об’ємного заряду, наявність якого приводить до ство­рення електричного поля (на рис. 1.5, а напрям напруженості цього поля показано вектором Е). Це поле перешкоджає подальшому дифу­зійному переміщенню дірок з напівпровідника p-типу в напівпровід­ник n-типу і електронів у протилежному напрямі. Оскільки збіднений шар має незначну електропровідність у зв'язку з тим, що в ньому прак­тично відсутні вільні носії заряду, його ще називають запірним шаром.

Дія електричного поля з напругою Е проявляється в тому, що че­рез p-n-перехід можуть переміщуватися (дрейфувати) лише неосновні носії заряду, тобто дірки з напівпровідника n-типу та електрони з напівпровідника p-типу, які обумовлюють дрейфові струми, густина яких відповідно j_pдр та j_nдр .

Густина повного струму через р-n-перехiд визначається сумою дифузійних і дрейфових складових густин струмів, які при відсутності зовнішньої напруги однакові. Напрям струмів дрейфу протилежний струмам дифузії. Тому в стані термодинамічної рівноваги при незмін­ній температурі і відсутності зовнішнього електричного поля густина повного струму через р-n-перехiд дорівнює нулю:

j_{p диф} + j_{n диф} + j_pдр + j_{n др} = 0.

Подвійний електричний шар в області p-n-переходу (рис. 1.5, а) зумовлює контактну різницю потенціалів, яку називають потенціальним бар’єром φ_к (рис. 1.5, 6), що визначається рівнян­ням

φ_к = φ_т ln(n_n/n_p) = φ_т ln(p_p/p_n), (1.1 )

де φ_т = kT/q — тепловий потенціал при нормальній температурі, тобто при Т = 300 К, φ_т = 0,26 В; k = 1,38·10^-23 Дж/К - стала Больцмана; Т - абсолютна температура; q - заряд електрона; n_п і p_п, p_р і n_р - рівноважні концентрації основних та неосновних носіїв заряду в n-області (p-області). У германієвих переходах φ_к = 0,3 - 0,4 В, у кремнієвих φ_к = 0,7-0,8 В.

Якщо прикласти до p-n-переходу зовнішню напругу U_R так, щоб плюс був на області напівпровідника n-типу, а мінус - на області напівпровідника p-типу (таке вмикання називають зворотним, рис. 1,5, в), то збіднений шар розширюється, оскільки під дією зовнішньої на­пруги електрони і дірки як основні носії заряду зміщуються в різні сторони від р-n-переходу. Ширина нового збідненого шару показана умовно на рис. 1.5, б, г штрихпунктирними лініями. При цьому висота потенціального бар’єра також зростає і дорівнює φ_к + U_R, оскільки напругу зовнішнього зміщення прикладено відповідно до контактної різниці потенціалів (рис. 1.5, г).

Збільшення потенціального бар’єра порушує стан термодинамічної рівноваги. При цьому дифузійна складова струму через р-n-перехiд зменшується. А дрейфова складова струму не змінюється, оскільки концентрація неосновних носіїв заряду визначається лише про­цесом термогенерації, а не рівнем напруги. Тому при зворотному вми­канні p-n-переходу через нього проходить зворотний струм і_R, який визначається неосновними носіями й із збільшенням зворотнозміщую­чої напруги наближається до сталого значення I₀ = I_nдр + I _pдр. Струм і_R = I₀ називають тепловим струмом, або струмом насичення.

Якщо змінити полярність джерела зовнішньої напруги (таке змі­щення називають прямим, рис. 1.5, д), то збіднений шар p-n-переходу звужується, а його провідність збільшується. Це пов'язано з тим, що збіднений шар поповнюється основними носіями заряду з об’ємів областей р- і n-типу, ос­кільки під дією U_F електрони і дірки з об'єму напівпровідника рухаються назустріч до р-n-переходу. Оскільки напруга зовнішнього джерела прикладається на­зустріч контактній різниці потенціалів, потенціальний бар’єр знижується і дорів­нює φ_F -U_F (рис. 1.5, е). При цьому ство­рюються умови для інжекції основних но­сіїв заряду - дірок з напівпровідника p-типу в напівпровідник n-ти­пу і електронів в протилежному напрямі, що зумовлює протікан­ня через р-n-перехiд великого прямого струму і_F, який визначається дифузією основних носіїв заряду (дифузійний струм).

3в'язок між прямим струмом і прикладеною до p-n-переходу пря­мою напругою U_F визначається виразом

і_F = I₀ [exp (U_F/φ_т) - 1] (1.2)

3воротний струм можна визначити з рівняння (1.2), замінивши значення U_F на – U_R. Враховуючи, що в робочій частині діапазону зворотних струмів φ_т << | U_R|, одержимо

і_R = I₀ (1.3)

струм і_R значно менший за і_F . Пряма і зворотна вітки вольт-амперної характеристики, що відповідають рівнянням (1.2) і (1.3), показані на рис. 1.6.

Рис. 1.6

Із співвідношень (1.2) та (1.3) вольт-амперної характеристики ви­пливає, що значення і напрям струму, який протікає через р-n-перехiд, залежать від значення і знака прикладеної напруги. При пря­мому зміщенні опір p-n-переходу незначний, а струм великий. Зво­ротне зміщення на переході зумовлює значно більший опір і малий зворотний струм. Таким чином, р-n-перехiд має односторонню провідність, що дозволяє використати його для випрямлення змінного струму.

Якщо зворотна напруга перевищує деяке значення U_(ВR) (рис. 1.6), що називається пробивною напругою, то зворотний струм різко зростає. Якщо його не обмежити, то відбувається електричний пробій p-n-переходу, що супроводжується часто тепловим пробоєм. Елек­тричний пробій пояснюється значним збільшенням напруженості електричного поля в p-n-переході при U_R > U_(ВR). Воно надає елек­тронам і діркам енергії, достатньої для ударної іонізації частинок в переході, відбувається лавиноподібний процес розмноження додатко­вих пар зарядів. Внаслідок цього різко зростає зворотний струм. Короткочасний електричний пробій не руйнує p-n-переходу, тобто є оборотним явищем. А тепловий пробій супроводжується перегрівом p-n-переходу, що виводить останній з ладу.

З ростом температури зростає як прямий, так і зворотний струм. Вольт-амперна характеристика p-n-переходу при більш високій тем­пературі показана на рис. 1.6 штриховою лінією.