6.14.3. Контакт двух полупроводников с различным типом проводимости.
Рассмотрим контакт двух полупроводников с различным типом проводимости, так называемый p – n переход. Сразу после возникновения контакта начинает идти диффузия основных носителей тока: электронов из n – тина в p – тип и дырок из p – типа в n – тип, так как концентрация их в полупроводниках различна.
Ввиду того, что основные носители уходят, то в p –области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а в n – области – положительно заряженные донорные атомы. Так как донорные и акцепторные атомы неподвижны, то в области контакта возникает двойной запирающий слой пространственного заряда (отрицательные заряды в p – области и положительные заряды в n – области). Таким образом, создается двойной запирающий слой (p – n – переход) (рис. 72), протяженность которого превышает длину свободного пробега электронов и дырок. Поэтому контактная область (запорный слой) имеет большое сопротивление и препятствует дальнейшей диффузии электронов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Этот двойной запирающий слой является для основных носителей тока потенциальным барьером высотой в несколько десятых долей вольта. Такой барьер электроны и дырки могут преодолеть только при очень высокой температуре, порядка тысяч градусов, поэтому контактный слой является для основных носителей тока запирающим слоем, имеющим повышенное сопротивление. Для не основных носителей тока этот слой не является барьером и, поэтому через контакт идет процесс диффузии не основных носителей тока. В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического поля полный ток через p-n – переход равен нулю.
Д
ействие
внешнего электрического поля существенным
образом влияет на сопротивление
запирающего слоя, изменяет высоту
потенциального барьера и нарушает
равновесие потоков носителей через
барьер. Предположим, что p-
полупроводник подключен к положительному
полюсу источника, а минус подан на n-
полупроводник. Тогда под действием
внешнего электрического поля электроны
в n- полупроводнике и дырки
в p- полупроводнике будут
двигаться к границе раздела полупроводников.
При таком пропускном (прямом) направлении
тока в полупроводнике толщина запирающего
слоя будет непрерывно уменьшаться, и в
пограничном слое будет происходить
рекомбинация электронов и дырок. Граница
p-n – перехода
не будет представлять сопротивления
для тока, вызываемого внешним напряжением.
Это напряжение необходимо только для
того, чтобы поддерживать встречное
движение электронов и дырок.
Так как положительный потенциал приложен к p- области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение) и с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть этот барьер. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток, который с ростом приложенного напряжения U также экспоненциально возрастает:
,
14.5
где - константа, зависящая от концентрации примеси и диффузионных свойств p-n - перехода, называется током насыщения.
Из
уравнения 14.5 следует, что уже при
небольших значениях U для
прямого включения
и уравнение 14.5 можно приближенно записать
в виде:
,
т
.е.
прямой ток возрастает экспоненциально
с увеличением напряжения U,
приложенного к слою.
Приложение
отрицательного потенциала к p-
области (обратное смещение) приводит к
повышению потенциального барьера.
Диффузия основных носителей тока через
переход становится пренебрежимо малой.
В то же время потоки неосновных носителей
не изменяются (для них барьер не
существует). В результате того, что
концентрация неосновных носителей тока
очень мало, то через переход при обратном
напряжении ток имеет ничтожную величину
по сравнению с прямым током. При больших
отрицательных напряжениях
,
обратный ток согласно 14.5 стремится к
насыщению
.
Таким образом, зависимость тока I через p-n- переход от приложенного напряжения U (вольт-амперная характеристика) обладает ярко выраженной нелинейностью (рис.74), т.е. проводимость сильно зависит от приложенного напряжения. Благодаря этому переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменного тока. Зависимость сопротивления p-n- перехода от напряжения позволяет использовать его в качестве регулируемого сопротивления, параметрического диода, прибора, емкостью которого можно управлять.
Электронно-дырочный переход – основа различного рода полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и т.д.