15.Электронно-дырочный переход

Электрические переходы классифицируют следующим образом:

• электронно-дырочный переход, возникающий между полупроводниками n- и

p-типов;

• переход между полупроводником и металлом;

• переход между двумя примесными полупроводниками одного типа, отлича- ющимися значениями концентраций примесей;

• переходы между двумя полупроводниками, имеющими различную ширину запрещенной зоны.

Поскольку в полупроводниковых устройствах чаще всего используется пер- вый из указанных электрических переходов, то рассмотрение физических явлений начнем с электронно-дырочного перехода, называемого также p-n-переходом.

На рис. 3.1 представлен полупроводник, у которого слева расположена область с преимущественно дырочной проводимостью, а справа - область, в которой основ- ными свободными носителями заряда являются электроны.

^{р - область} n - область

–

–

–

+

+

+

–

–

–

+

+

+

–

–

–

+

+

+

–

–

–

+

+

+

Рис. 3.1 Диффузия свободных носителей заряда в р-n-переходе

а) ^{диффузия}

б)^Wэл

в)W_д

Рис. 3.2 Образование запирающего слоя в р-n-переходе

Напомним, что дырка - это вакансия (незаполненное место) в электронной оболочке иона решетки. Возникающее между зарядами электрическое поле называют полем потенциального барьера.

На рис. 3.2б изображен потенциальный барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться справа налево (из области п в область р). Если этот график повернуть на 180^º, получим потенциальный барьер для дырок, диффундирующих слева направо (рис. 3.2в)а) ^{диффузия}

При условии динамического равновесия уровни Ферми для обеих областей уста- навливаются на одной высоте. Вместе с уровнями Ферми происходит смещение энерге- тических зон, что приводит к их изгибу в области р-п-перехода (см. рис. 3.3)

_а) р-тип

Е_С Е_F

Е_а Е_V

п- тип

Е_С

Е_d

Е_F

Е_V

б)

Е_С (p)

Е_V (p)

Е_С (n) Е_F

Е_V (n)

Рис. 3.3 Зонная структура примесных проводников (а) и р-п-перехода (б)

Важнейшим свойством р-п-перехода является резкое изменение его электрическо- го сопротивления в зависимости от направления, протекающего через него тока.

16. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

Зависимость тока, проходящего через р-п-переход, от величины приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой р-п-перехода и она представлена на рис. 3.6.

Рис. 3.6 Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

Общий ток определяется суммой четырех слагаемых:

I _pn  I_{n диф}+ I _{p диф}  I_{n др}  I _{p др}, (3.1)

гдеI_{n диф} - электронный ток диффузии,

I _{p диф} - дырочный ток диффузии,I_{n др} – электронный ток дрейфа,

I _{p др}– дырочный ток дрейфа.

Учитывая, что первые два слагаемых пропорциональны , где U-внешнее напряжение, выражение можно записть в виде: (3.2)

При прямом включении внешнего источника (U > 0) экспоненциальный член

^eU в выражении (3.2) приводит к быстрому росту прямого тока который, как уже

kT

было отмечено, в основном определяется за счет диффузионных составляющих в выра- жении (3.1).

Быстрое возрастание прямого тока приводит к нагреванию области р-п-перехода. Значительный перегрев может привести к необратимым изменениям полупроводнико- вого кристалла. Поэтому для ограничения прямого тока к р-п-переходу подключают по- следовательно резистор.Из выражения (3.2) следует, что I₀ - величина обратного тока, так как при достаточно больших значениях обратного напряжения внешнего источника (U < 0)

ф луктуация-отклонение величины от истинных значений

Омический(невыпрямляющийся)

неомический(выпрямляющийся)