2.2. Электронно-дырочный переход

Свойства большинства элементов электронных схем основаны на том, что в их составе имеются электронно-дырочные переходы (p–n-переходы). Электронно-дырочный переход образуется в том месте, где в составе базового полупроводника (например, кремния) соприкасаются области с донорной и акцепторной примесями. Физические процессы в p–n-переходе поясняет рис. 2.1.

Рис.2.1

Движение электрических зарядов через p–n-переход при отсутствии внешнего электрического поля носит характер диффузии электронов и дырок навстречу друг другу и их рекомбинацию: электроны проникают в p-область и заполняют дырки, дырки диффундируют в n-область и компенсируют электроны. Приграничная зона лишается значительной части подвижных зарядов и потому называется обедненной. Удельное сопротивление полупроводника в пределах обедненной зоны из-за уменьшения концентрации подвижных зарядов больше, чем в объемах полупроводников, удаленных от перехода. Поэтому обедненную зону представляют, как сопротивление и одновременно как емкость, включенные параллельно. Применительно к емкости обедненный зарядами слой считается «диэлектрической прокладкой», а удаленные от перехода участки полупроводника с большой концентрацией подвижных зарядов – «металлическими обкладками». Если допустить, что границы обедненной зоны – резкие, то можно ввести параметр «ширина обедненной зоны» d: чем шире зона, т. е. чем больше значение d, тем больше сопротивление и меньше емкость p–n-перехода.

С обеих сторон границы областей с разными примесями образуются противоположные по знаку пространственные заряды (рис. 2.1., б). Распределение плотности зарядов демонстрирует рис. 2.1., в. Пространственные заряды создают электрическое поле напряженностью Е, которое противодействует дальнейшей взаимной диффузии электронов и дырок. Это поле называют диффузионным Е_диф (так как причиной его возникновения является взаимная диффузия электронов и дырок) или барьерным. Второе название поля связано с тем, что на участке между пространственными зарядами формируется разность потенциалов ∆φ = Е_диф∙ d (потенциальный барьер), что поясняет рис. 2.1, г. Емкость обедненной зоны также часто называют барьерной С_бар, а сопротивление этого участка полупроводника – сопротивлением p–n-перехода R_пер.

Если к p–n-переходу приложить внешнее напряжение (или, что то же самое – внешнее электрическое поле) напряженностью Е_внеш, то результат будет зависеть прежде всего от того, будут ли внутреннее диффузионное и внешнее поля сонаправлены или противоположны по направлению, а также от значения Е_внеш. Если «плюс» внешнего поля приложить к p-области полупроводника, а «минус» - к n-области, то это стимулирует движение электронов и дырок через переход, диффузионное поле будет в значительной степени ослаблено внешним, потенциальный барьер понизится. Обедненная зона сузится, ее сопротивление станет малым. Барьерную емкость, значение которой увеличится, можно не учитывать, так как малое R_пер ее зашунтирует. Такое включение электронно-дырочного перехода называется прямым, а переход – открытым (отпертым).

При противоположном включении внешнего электрического поля электроны и дырки «отойдут» от границы вглубь своих областей, ширина обедненной зоны расширится, сопротивление перехода увеличится. Включение электронно-дырочного перехода, при котором Е_внеш складывается с Е_диф, называется обратным, а переход – закрытым (запертым).

Полностью закрыть p–n-переход (т. е. добиться полного прекращения электрического тока через него) нельзя из-за того, что для тока неосновных носителей полярность внешнего электрического поля, препятствующая движению основных носителей заряда, наоборот, является стимулирующей. Принципиальная невозможность запереть электронно-дырочный переход является главным недостатком полупроводниковых элементов.