Модуль 1.2 Электронно-дырочный переход

Возьмем контактное соединение двух полупроводников, один из которых с электронной проводимостью n - типа, а другой - с дырочной р – типа.

Рис. 1.5. Образование электронно-дырочного перехода:

а – пластина германия с двумя типами проводимости,

б – возникновение пространственного заряда на границе двух полупроводников,

в – распределение плотности пространственного заряда на границе двух полупроводников германия n и р типов,

г – распределение потенциала на границе двух полупроводников

Вследствие большой концентрации электронов в полупроводнике n – типа будет происходить диффузия их из первого полупроводника во второй. Аналогично будет происходить диффузия дырок из второго полупроводника р – типа в первый полупроводник n – типа.

В тонком пограничном слое полупроводника n – типа возникает положительный заряд, а в пограничном слое полупроводника р – типа – отрицательный заряд (рис. 1.5 б)

Между этими слоями возникает разность потенциалов (рис. 1.5 г) – «потенциальный барьер» и образуется электрическое поле перехода напряженностью En. Это поле препятствует диффузии электронов и дырок из одного полупроводника в другой. Таким образом, на границе двух полупроводников возникает тонкий слой, обедненный основными носителями зарядов и обладающий большим сопротивлением. Этот слой называется запирающим слоем.

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или рn – переходом.

Вследствие теплового движения в электрическое поле перехода попадают неосновные носители зарядов (электроны из р – области, дырки из n - области).

Движение неосновных носителей заряда называют тепловым или дрейфовым током и направлено встречно диффузионному току основных носителей зарядов. При отсутствии внешнего электрического поля дрейфовый ток уравновешивается диффузионным и суммарный ток через переход равен нулю.

R_пер → ∞

I_пер = 0

Приложим к рn – переходу внешнее напряжение. Минус источника к полупроводнику n – типа, а плюс источника к полупроводнику р – типа (рис. 1.6.в)

В этом случае электрическое поле источника Е_В и рn – перехода Е_П будут направлены в разные стороны. Электрическое поле источника скомпенсирует поле перехода Е рез=Ев-Еn.

Действие запирающего слоя ослабится, потенциальный барьер понизится, увеличится число свободных электронов, проникающих из n области в р область и дырок – в обратном направлении т. е. произойдет увеличение тока через электронно-дырочный переход, уменьшится его сопротивление.

Такое включение рn – перехода (и источника) называется прямым (рис.1.6 в)

R_пр → мало

I_пер ≠ 0 (за счет основных носителей заряда)

(за счет основных носителей заряда)

Рис. 1.6. Прохождение тока через рn – переход:

а – общий вид,

б – обратное включение рn – перехода,

в – прямое включение рn – перехода.

Если изменить полярность внешнего источника, плюс источника присоединить к полупроводнику n – типа, а минус источника к полупроводнику р – типа, в этом случае электрическое поле источника Ев направленно в ту же сторону, что и поле перехода Еn. Результирующее поле увеличивается.

Ерез=Ев+Еn (рис.1.6 б)

Такое поле будет препятствовать прохождению основных носителей заряда через рn – переход, они будут уходить от границы слоев. В результате между слоями образуется область, в которой не остается ни электронов, ни дырок. Ток через переход не пойдет за счет основных носителей заряда.

В действительности небольшой ток будет проходить по цепи за счет не основных носителей заряда: дырок в n – слое, электронов в р – слое. Но этот ток оказывается во много тысяч раз меньше, чем при прямом включении.

Т

R_обр → ∞

I_обр ≠ мал (за счет не основных носителей заряда)

акое включение рn – перехода (источника) называется обратным

(за счет неосновных носителей заряда)

Поэтому можно считать, что полупроводник с электронно-дырочным переходом обладает односторонней проводимостью электрического тока.

Односторонняя проводимость рn – перехода наглядно иллюстрируется его вольтамперной характеристикой (рис. 1.7)

б)

а)

(мкА)

Рис. 1.7. а) Вольтамперная характеристика германиевого рn – перехода,

б) условное обозначение в схеме.

Прямая и обратная ветви характеристики построены в разных масштабах.

При небольшом прямом напряжении Uпр=1В на зажимах рn - перехода в его цепи проходит относительно большой ток, а при значительных обратных напряжениях - обратный ток ничтожно мал. Значительное увеличение, обратного напряжения (выше максимально допустимого) приводит к пробою рn – перехода, его сопротивление резко уменьшается, обратный ток увеличивается, рn – переход теряет свойство односторонней проводимости.

Свойства рn – перехода существенно зависит от температуры окружающей среды. При повышении температуры увеличивается концентрация носителей и собственная проводимость полупроводника, прямой и обратные токи растут (рис. 1.8), а рn – переход теряет свое основное свойство – одностороннею проводимость.

Рис. 1.8 Влияние температуры

на вольтамперную характеристику

рn – перехода

Для германиевых приборов верхний температурный предел от +70…до +90 градусов. У кремниевых приборов вследствие большей энергии, необходимой для отрыва валентного электрона от ядра атома, этот предел от +120… до +150 градусов.