3. Что такое p-n-переход? Как он осуществляется?
Рассмотрим контакт двух примесных полупроводников с различным типом
примеси – донорной (n-типа) и акцепторной (p-типа). Тонкий слой на границе между двумя областями кристалла с разными типами проводимости называют электронно-дырочным переходом, или p-n-переходом.
Электроны являются основными носителями заряда в области n-типа и
неосновными в области p-типа. Дырки – основные носители заряда в области p-типа и неосновные в области n-типа. Различие в концентрациях носителей одного типа по обе стороны контакта ведет к возникновению
диффузионных потоков дырок из области p-типа в область n-типа и электронов в обратном направлении. В результате n-полупроводник вблизи контакта заряжается положительно, p-полупроводник – отрицательно, и между ними возникает разность потенциалов.
Контактное поле противодействует диффузии основных носителей тока
(электронов из n-области и дырок из p-области), и в результате наступает динамическое равновесие, когда диффузионный ток, обусловленный основными носителями тока (jосн), уравновешивается встречным током неосновных носителей (jнеосн), для которых контактное поле является ускоряющим.
Наличие избыточного положительного заряда в n-области и отрицательного заряда в p-области приводит к тому, что все энергетические уровни n-области понижаются, a p-области повышаются. Диффузионный поток прекращается, когда уровни Ферми выравниваются, и в результате между двумя областями устанавливается равновесная контактная разность потенциалов Uк.
Область p-n-перехода является областью наибольшего сопротивления. Поэтому приложенное к полупроводнику внешнее напряжение падает на этой области, свойства которой и определяют ток через кристалл.
4. Что такое вах?
Зависимость тока от напряжения (вольт-амперная характеристика p-n-перехода) описывается формулой:
где C – постоянная, не зависящая от температуры и приложенного напряжения; Δ E –ширина запрещенной зоны; U – приложенное напряжение.
Знак «+» в показателе степени соответствует напряжению, приложенному в
«прямом» направлении, то есть, когда положительный полюс внешнего источника подключен к p-области, а знак «–» соответствует напряжению, приложенному в «обратном» направлении.
Обозначим компоненту тока, обусловленную неосновными носителями, jS. Тогда:
Так как при комнатной температуре kT/e составляет около 0,025 В, то при
положительных напряжениях порядка нескольких десятых вольта в формуле можно пренебречь единицей по сравнению с экспоненциальным членом.
Тогда имеем
Таким образом, ток через p-n-переход, смещенный в прямом направлении,
возрастает экспоненциально с ростом напряжения. Этот ток обусловлен основными носителями зарядов.
При отрицательных напряжениях (обратное смещение) порядка нескольких
десятых вольта можно пренебречь экспоненциальным членом по сравнению с единицей, и формула примет вид:
В этом случае величина обратного тока jS полностью определяется движением неосновных носителей зарядов через p-n-переход.
На рисунке приведен график вольт-амперной характеристики p-n-перехода,
построенный в соответствии с приведённой формулой в самом начале. При построении графика масштабы его выбираются различными для «прямого» и «обратного» токов, так как величина «прямого» тока значительно выше величины «обратного». Таким образом, если к полупроводнику, содержащему p -n -переход, приложить внешнее поле так, что n-область будет соединена с положительным полюсом источника тока, а p-область – с отрицательным, то полупроводник практически не будет проводить
электрический ток. При пропускном («прямом») направлении внешнего поля, когда n-область соединена с отрицательным полюсом источника тока, а p-область – с положительным, через p-n-переход будет проходить электрический ток, величина которого экспоненциально возрастает с ростом напряжения.