Образование и свойства перехода

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным (или ) переходом. переход обладает несимметричной проводимостью. Работа большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов, тиристоров) основана на использовании свойств одного или нескольких переходов.

Образование перехода.

Пусть имеется соединение двух полупроводниковых материалов типа и типа (рисунок 37а). Носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочные тепловые движения, и происходит диффузия носителей из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их больше, туда, где их меньше. Из полупроводника типа в полупроводник типа диффундируют электроны, а в обратном направлении диффундируют «дырки».

В результате на границе образуются объёмные заряды различных знаков.

В области положительный объёмный заряд, в области отрицательный объёмный заряд. Между зарядами возникает контактная разность потенциалов: и электрическое поле с напряжённостью Потенциальна диаграмма перехода (рисунок 37б) показывает, что существует потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему диффузионному переходу носителей. Высота барьера составляет десятые доли вольта. Чем выше концентрация примесей, тем больше контактная разность потенциалов и высота барьера. Толщина барьера при повышении концентрации примесей уменьшается.

Рисунок 37. Образование перехода

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием контактной разности потенциалов. Перемещение носителей за счёт диффузии представляет собой диффузионный ток . Движение носителей под действием поля контактной разности потенциалов создает ток дрейфа Каждый из токов имеет как дырочную, так и электронную составляющую. При постоянной температуре переход находится в состоянии динамического равновесия. При динамическом равновесии и . В средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей (обеднённый носителями слой). Этот слой (рисунок 37в) имеет меньшую проводимость, чем и области и называется запирающим слоем.

Свойства перехода при прямом напряжении.

П усть источник внешнего напряжения подключён положительным полюсом к полупроводнику типа (рисунок 38а). Напряжение, полярность которого совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым. Электрическое поле, создаваемое в переходе действует навстречу контактной разности потенциалов. Результирующее электрическое поле в переходе становится слабее.

Потенциальный барьер понижается (рисунок 39б) и возрастает диффузионный ток, т.к. большее число основных носителей может преодолеть пониженный потенциальный барьер. Ток дрейфа при этом почти не меняется. Поэтому и полный прямой ток через переход .

Рисунок 38. переход при прямом напряжении

Если барьер значительно понижен, то и можно считать, что

, т.е. прямой ток является чисто диффузионным. Прямой ток в любом сечении перехода имеет электронную и дырочную составляющие: При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но и уменьшается сопротивление перехода (единицы Ом). Поскольку контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольта, то прямое напряжение не должно превышать эту величину и большой ток через переход можно получить при таких же малых прямых напряжениях. Разность напряжений .

Свойства перехода при обратном напряжении.

П усть источник внешнего напряжения подключён положительным полюсом к области, а отрицательный к области. Такое подключение создаёт обратное напряжение в переходе (рисунок 39а). Поле, создаваемое обратным напряжением , складывается с полем и потенциальный барьер растёт (рисунок 39б). Уже при небольшом повышении барьера диффузия основных носителей через переход прекращается, и .

Обратный ток обусловлен движением неосновных носителей и почти не меняется при увеличении . Сопротивление запирающего слоя возрастает и становится очень большим. При этом возрастает и толщина запирающего слоя, так как он ещё больше обедняется основными носителями. Обратное сопротивление .

Рисунок 39. переход при обратном напряжении

С повышением температуры концентрация неосновных носителей растёт, обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.

Полупроводниковый диод – наиболее простой и надёжный элемент электронных устройств, представляющий собой один

переход. Полупроводниковый диод обладает односторонней проводимостью и чаше всего применяется для выпрямления переменного тока.

Контрольные вопросы

1. Что называется переходом и для чего он применяется?

2. Расскажите о процессах в полупроводнике, происходящих при образовании перехода.

3. Что такое диффузионный ток и ток дрейфа? Каково их соотношение при образовании перехода?

4. Что такое прямое напряжение и как оно влияет на переход и его свойства?

5. Что такое обратное напряжение и как оно влияет на переход и его свойства?