1.1.1 Електронно-дірковий перехід

Напівпровідники мають кристалічну структуру, яка однорідна при температурі абсолютного нуля. У міру нагріву частина валентних зв'язків порушується внаслідок теплових коливань в кристалічній решітці, що призводить до одночасного утворення вільних електронів і незаповнених зв'язків (дірок). Генерація пар носіїв заряду може відбуватися також під дією світла, електричного поля, випромінювання та ін.

Електропровідність власного напівпровідника, обумовлену парними носіями заряду (електронами і дірками), називають власною.

Вводячи у власний напівпровідник домішки, отримають домішкову електропровідність. Якщо в кристалічну решітку п\п внести деяке число атомів речовини, що має більш високу валентність, ніж даний п\п, то за рахунок цих домішкових атомів з'являться вільні носії заряду - електрони. При введенні домішки, що має валентність менше, ніж матеріал кристала в її кристалічній решітці утворюється надмірне число дірок, які поводяться подібно до +частки з одиничним зарядом.

Донорні домішки, атоми яких віддають електрони, утворюють напівпровідники з переважаючою електронною електропровідністю (n- типу). Напівпровідники з переважаючою дірковою електропровідністю називають напівпровідниками p- типу, а відповідні домішки - акцепторами.

Область на межі контакту двох напівпровідників з протилежним типом електропровідності називається електронно-дірковим або n - p- переходом.

Розглянемо процеси в n-p-переході за відсутності зовнішнього джерела напруги, дивись рисунок 1.2. Оскільки носії заряду здійснюють безладний тепловий рух, то Концентрація електронів в n- шарі більша, ніж в p- шарі, і частина електронів перейде з n- шару в p- шар. Одночасно спостерігається дифузійний перехід дірок з p- шару в n- шар. Окрім дифузійного струму, обумовленого рухом основних носіїв заряду через кордон розділу напівпровідників можливий струм неосновних носіїв (електронів з p- області і дірок з n- області), але він дуже малий внаслідок відмінності в концентраціях основних і неосновних носіїв. В результаті дифузії в прилеглому до контакту шарі діркової області напівпровідника утворюється негативний просторовий заряд іонізованих атомів акцептора (внаслідок відходу дірок з приконтактної області), а в приконтактний шар електронний область - позитивний просторовий заряд іонізований атом донор. В результаті в n- шарі залишається об'ємний заряд позитивних іонів (в основному донорній домішці), що не компенсується, а в p- шарі - об'ємний заряд негативних іонів акцепторної домішки, що не компенсується.

Між об'ємними зарядами виникає контактна різниця потенціалів U_к=_n-_p і електричне поле напруженістю Е_к. На потенційній діаграмі n-p-переходу, дивися рисунок 1.2б за нульовий потенціал прийнятий потенціал граничного шару. У n-p- переході виникає потенційний бар'єр, що перешкоджає дифузійному переміщенню носіїв заряду. Висота бар'єру дорівнює контактній різниці потенціалів і зазвичай складає десяті долі вольта. На рисунку 1.2б зображений бар'єр для електронів, прагнучих за рахунок дифузії переміщатися з області n в область p.

Таким чином, в n-p- переході внаслідок відходу електронів і дірок углиб p - і n- областей утворюється збіднений зарядами шар, що називається таким, що замикає і має великий опір порівняно з опором інших об'ємів n, - і p- областей.

Рисунок 1.2 - Процеси в n-p-переході (а) и потенційна діаграма n-p- переходу (б)

Розглянемо тепер p-n-перехід в нерівноважний стан, що показано на рисунку 1.3, коли до нього прикладена зовнішня напруга і через нього протікає струм. Якщо джерело зовнішньої напруги позитивним полюсом підключити до напівпровідника p- типу і негативним до n- типу (пряме включення), то електричне поле, що створюється в p-n-переході прямою напругою U_пр, діє назустріч контактній різниці потенціалів U_к.. Потенційний бар'єр знижується до величини U_к-U_пр, зменшуються товщина замикаючого шару (ширина n-p- переходу зменшується) і його опір R_пр теж зменшується. Частину основних носіїв долають низький потенційний бар'єр і n-p- перехід і потрапляють в область п\п, для якої вони є неосновними - інжекція (упорскувати) Инжектовані носії дифундують в глиб відповідної області п\п, рекомбінуючи з основними носіями цієї області. Одночасно з інжекцією дірок в n - область відбувається інжекція електронів в p- область.

а – пряма напруга, б – зворотна напруга

Рисунок 1.3 – Р-п перехід під дією зовнішньої напруги

Якщо полярність зовнішнього джерела змінити на зворотну, то електричне поле, що створюється джерелом, співпаде з полем p-n- переходу і потенційний бар'єр зростає до величини U_к+U_обр.. Кількість основних носіїв, здатних здолати дію результуючого поля зменшується. Відповідно зменшується і струм дифузії основних носіїв заряду. Під дією електричного поля, що створюється зовнішнім джерелом, основні носії відтягуватимуться від приконтактних шарів в глиб п\п і в результаті ширина p-n-переходу збільшується. Через перехід можуть пройти тільки неосновні носії: електрони з p- області в n- область і дірки в зустрічному напрямі, оскільки потенційний бар'єр відсутній і вони втягуватимуться полем p-n-переходу - екстракція. Оскільки концентрація основних носіїв заряду на наскільки порядків вище за концентрацію неосновних, то прямі струми на декілька порядків більші за зворотних. Електронно-дірковий перехід має випрямляючі властивості, які використовуються для створення діодів.

Залежність струму через p-n- перехід від прикладеної до нього напруги (вольт-амперна характеристика) має наступний вигляд – дивись на рисунок 1.4

Рисунок 1.4 – Вольт-амперна характеристика p-n переходу

, (1.1)

де – температурний потенціал ( при );

k – постійна Больцмана;

q – заряд електрона.

Вираження описує реальну вольт-амперну характеристику (ВАХ) p-n-переходу, рисунок 1.4 до напруги пробою , досягши якого має місце електричний пробій, коли спостерігається різке зростання зворотного струму через p-n-перехід при незначному збільшенні напруги зовнішнього джерела (ділянка 2-3 ВАХ). Якщо цей струм не обмежувати, то електричний пробій переходить в тепловий (ділянка ВАХ нижче точки 3), при якому збільшення струму обумовлене термогенерацией носіїв заряду, викликаною, у свою чергу, додатковим нагрівом напівпровідника під дією струму цих носіїв заряду. При тепловому пробої збільшення струму супроводжується падінням напруги на Тепловий пробій - це безповоротний процес, який закінчується тепловим руйнуванням p-n-переходу.

На відміну від теплового електричний пробій - оборотний процес, якщо струм в ланцюзі p-n- переходу обмежити на безпечному рівні, включивши послідовно з ним резистор. Електричний пробій буває двох видів: лавинного і тунельного. При лавинному пробої відбувається ударна іонізація нейтральних атомів напівпровідника в області p-n- переходу, коли електрони, прискорені досить сильним електричним полем, " вибивають" з нейтральних атомів нові вільні електрони, які, у свою чергу, стають учасниками процесу " розмноження" рухливих носіїв заряду. У основі тунельного пробою лежить тунельний ефект, що характеризується тим, що електрони з області напівпровідника одного типу можуть переходити в область напівпровідника іншого типу, не долаючи потенційного бар'єру, якщо відстань між зоною провідності n- області і валентною зоною p- області невелике.

Пряма гілка ВАХ p-n- переходу без урахування інших областей напівпровідника має експоненціальний характер. Оскільки на цій ділянці ВАХ напруга мало міняється при значній зміні струму через p-n-перехід, пряму гілку характеризують параметром - напругою відкривання p-n-- переходу ( у разі кремнію і у разі германію).

Залежність електропровідності п\п від зовнішніх чинників використовується для створення всіляких керованих опорів (терморезистори, фоторезистори і т.д.).

Поєднання двох і більше р-п переходів в один кристал за певних умов дає можливість отримати нелінійний опір, ВАХ яких може деформуватися у бажаному напрямі під дією електричного сигналу або інших зовнішніх чинників. До приладів цієї групи відносяться транзистори, тиристори і т. д.

Деякі п\п завдяки високій діелектричній проникності знаходять застосування при виготовленні малогабаритних конденсаторів. П\п, що мають значний п'єзоефект використовуються для виготовлення електромеханічних перетворювачів.