4. Контакт полупроводников р- и n- типа

4.1. Основные свойства p-n перехода

Контакт p и n полупроводников, или p-n переход, как и m-n переход, является одним из распространенных видов контактов, используемых в электронике. Его главным свойством является односторонняя проводимость, т.е. способность хорошо проводить ток только при одной полярности приложенного напряжения (прямое напряжение). При обратном напряжении ток на несколько порядков меньше.

Как правило, одна из областей p-n перехода имеет намного более высокую концентрацию донорной примеси N_д или акцепторной примеси N_а. Область с большей концентрацией примесей называют также сильнолегированной областью, с меньшей – слаболегированной. Такие переходы называют асимметричными, их сильнолегированную область – эмиттером, слаболегированную – базой. Сильнолегированную область обозначают n⁺ или p⁺ , рис. 15:

Рис. 15

На границе p и n областей существуют значительные градиенты концентрации свободных электронов и дырок dn/dx и dp/dx. Поэтому в p-n переходе даже в отсутствие внешнего напряжения происходит диффузия основных носителей в смежную область, т.е. наблюдается диффузионный ток основных носителей I_дф. При этом в p-n⁺ переходе dn/dx » dp/dx и поэтому будет преобладать электронная составляющая диффузионного тока I_дф.n . В p⁺-n переходе dn/dx « dp/dx и поэтому будет преобладать дырочная составляющая I_дф.p.

Диффузия основных носителей в смежную область, где они становятся неосновными, приводит к рекомбинации с основными носителями смежной области. В результате рекомбинации в приграничных областях концентрация свободных электронов и дырок очень низкая, образуется обедненный слой. В этом слое атомы примесей превращаются в нескомпенсированные ионы. Из-за очень низкой концентрации подвижных носителей заряд нескомпенсированных ионов примесей будет здесь главным типом электрических зарядов. В приграничных областях возникают два слоя таких зарядов: отрицательный заряд в р – области, положительный заряд в n – области, рис. 15. Эти заряды создают собственное электрическое поле p-n перехода с контактной разностью потенциалов φ_к0.

Собственное электрическое поле p-n перехода – тормозящее для диффундирующих основных носителей (образует потенциальный барьер). Это ограничивает диффузию основных носителей. Это же поле является ускоряющим для неосновных носителей, что вызывает встречный дрейф неосновных носителей, т.е. встречный дрейфовый ток I_др = I_дф.p + I_дф.n. Чем интенсивнее диффузия, тем сильнее поле перехода и больше дрейфовый ток. Поэтому возникает устойчивое равновесие диффузионного и дрейфового токов, в результате чего тока во внешней цепи нет. Выравнивания концентраций, как это было бы, например, при диффузии газов, не происходит.

Если к переходу приложено внешнее напряжение, сила поля в переходе изменяется. Когда к р – области приложен плюс внешнего источника, т.е. при прямом напряжении, поле в переходе ослабевает (потенциальный барьер понижается):

φ_к = φ_к0 - U_пр . (23)

Поэтому усиливается диффузия основных носителей, и ослабевает дрейф неосновных. Возникает большой прямой ток I_пр – большой диффузионный ток основных носителей. Когда к р - области приложен минус (меньший потенциал), т.е. при обратном напряжении, поле в переходе усиливается (потенциальный барьер возрастает):

φ_к = φ_к0 + U_обр . (24)

Диффузия основных носителей при этом ослабевает. Возникает преобладание дрейфового тока неосновных носителей, т.е. обратный ток I_обр. Так как концентрация неосновных носителей очень мала, обратный ток намного, на несколько порядков, меньше. Этим и объясняется главное свойство p–n перехода: высокая проводимость при прямом напряжении, очень низкая – при обратном напряжении.