13.5 Контакт электронного и дырочного полупроводников. Свойства электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочным переходом, или p-n переходом, называют переходный слой между областями полупроводни­ка с различным типом электропроводности. При идеальном контакте полупроводников с различным типом электропро­водности происходит процесс диффузии электронов из n-об­ласти в р-область и дырок из р-области в n-область. Причи­ной этого является наличие градиента концентрации носите­лей заряда: концентрация электронов в полупроводнике n-ти­па во много раз превышает концентрацию электронов в ды­рочном полупроводнике, где они являются неосновными. То же самое можно сказать и для дырок. В результате этого в контактном слое между полупроводниками с различным ти­пом электропроводности возникает область с низкой кон­центрацией свободных носителей заряда. Объемные заряды ионизированных доноров и акцепторов образуют двойной электрический (запирающий) слой (рис. 13.17). Электрическое поле, образованное нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей и направленное от n-области к р-области, называется диффузионным электрическим полем. Возникшее диффузионное электрическое поле препят­ствует дальнейшей диффузии основных носителей через кон­такт— устанавливается равновесие, при котором ток через переход равен нулю, а падение напряжения на границах р и n-областей, называемое потенциальным барьером, прини­мает определенное значение. Разность потенциалов, соответ­ствующая данному состоянию, называется контактной и, как показывает теория, определяется следующим соотношением:

φ_k=kT/E*ln(np/n_i²)

Если к р—n структуре приложить электрическое напря­жение от внешнего источника питания U, то равновесие на­рушается и через р—n переход начинает проходить ток.

Рис. 13.17

Ког­да на р-область подан плюс (прямое смещение (U>0), по­тенциальный барьер запирающего слоя уменьшается (рис. 13.17). Часть основных носителей, обладающих наибольшими значениями энергии, преодолевает понизившийся потен­циальный барьер. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через р—n-переход. Преодолевшие потен­циальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными. Таким образом, через р—n-переход происходит инжекция неосновных носителей заряда в об­ласть, премыкающую к р—n-переходу,. Область, в .которую происходит инжекция неосновных носителей, называют базой полупроводникового прибора.

Е сли включить внешний источник таким образом, что р-область окажется соединенной с отрицательным полюсом, а n-область — с положительным (обратное смещение U<0), то потенциальный барьер повышается. Поток электронов из n-области и дырок из р-области через р—n-переход умень­шается практически до нуля, тогда, как потоки неосновных носителей остаются постоянными. Так как концентрация не­основных носителей заряда во много раз меньше, чем основ­ных, то ток через р—n-переход (обратный ток) будет мал. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного пере­хода имеет вид

Графическое изображение вольт-амперной характеристики показано на рисунке 13.18.

Как видно из рисунка, вольт-амперная характеристика пе­рехода нелинейна, причем прямой ток значительно больше обратного. В цепи с переменным электрическим полем р—n-переход пропускает ток только в течение одного полуперио­да, т. е. обладает выпрямляющим эффектом.

Свойства р—n-перехода положены в основу работы боль­шого числа полупроводниковых приборов: различных типов диодов, транзисторов, тиристоров и т.д. Полупроводниковый диод—это полупроводниковый прибор с одним выпрямляю­щим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство электронно-дырочного перехода. Например, увеличение обратного напряжения на электронно-дырочном переходе приводит к тому, что носители заряда на длине свободного пробега в области запирающего слоя накапливают энергию, достаточную для ионизации атомов, входящих в состав кристаллической ре­шетки. Н аступает пробой, ток через переход резко возрастает (рис. 13.18).

Рис.13.18 Рис.13.19

При изменении приложенного к переходу напряжения ме­няется величина объемного заряда, а следовательно, ширина перехода. Такая система может быть использована в каче­стве полупроводникового конденсатора переменной емкости. Управление емкостью осуществляется путем изменения на­пряжения смещения.

Транзистор представляет собой полупроводниковый при­бор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности. От трех областей сделаны три вывода, получившие название «вход» (эмиттер), «выход» (коллектор) и «общий электрод» (база). Существует несколько видов транзисторов, напри­мер, плосткостные типа n—р—n и р—n—р-структуры. Прин­ципиальная схема транзистора приведена на рис. 13.19. В кол­лекторной цепи с нагрузочным сопротивлением R_н напряже­ние приложено в обратном направлении. По цепи проходит очень малый ток, вызванный переходом дырок из базы в коллектор. Концентрация дырок в базе очень мала.

Если подать небольшое постоянное напряжение в эмиттерную цепь в проводящем направлении, то из эмиттера в базу будут переходить дырки. Если база достаточно тонкая, дыр­ки будут диффундировать без рекомбинации и под действием электрического поля коллектора переходить через коллектор­ный n— р-переход. Таким образом, осуществляется управле­ние током в цепи коллектора за счет изменения тока в эмиттерной цепи. Коэффициент передачи тока эмиттера равен

α_I=dI_k/dI_э/U_к=const

Для плоскостных триодов α_I = 1.

Рассмотренная выше система двух переходов дает воз­можность получить усиление по мощности. Действительно, падение напряжения на коллекторном переходе, включенном в обратном направлении, и на нагрузке R_н значительно боль­ше, чем на сопротивлении эмиттерной цепи в эмиттерном пе­реходе, включенном в прямом направлении. Отсюда коэффи­циент передачи по мощности

определяемый отношением сопротивлений цепей, может до­ставлять величину порядка несколько сотен.