1.2. Электронно-дырочный переход

Область внутри монокристалла полупроводника на границе раз­дела его двух сред с разным типом примесной электропроводности называют электронно-дырочным переходом или p-n-переходом.

Такие переходы изготовляют сложными технологическими прие­мами путем внесения примеси определенного типа (например, n-типа) в полупроводник с незначительным количеством примеси противопо­ложного типа (р-типа). Свойства р-n-перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Предположим для простоты, что р-n-переход образован в ре­зультате соприкосновения двух полупроводников р- и n-типов и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р-типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов равна концентрации свободных дырок, а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров равна концентрации свободных электронов. Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей.

При соприкосновении областей р- и n-типов происходит диффузия дырок в область n-типа и электронов - в область р-типа.

Как только дырка покинет область р-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированный отрица­тельный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положитель­ный заряд иона донорной примеси (рис. 1.4). Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заря­да и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространствен­ных зарядов, который называютp-n-переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р-и n-типов. Часто этот слой называют запирающим.

Объемные заряды на границе раздела создают электрическое поле р-n-перехода. Это поле направлено от области n-типа к об­ласти р-типа. Оно является тормозящим для основных носителей и препятствует их дальнейшему диффузионному перемещению через р-n-переход. На рис.1.4 показано изменение потенциала поля вдоль оси х, перпендикулярной плоскости перехода, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Из ри­сунка видно, что в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, равный контактной разности потенциалов, которую называют высотой потенциального барьера.

Перемещение основных носителей заряда через р-n-переход образует диффузионный ток. Движение неосновных носителей через р-n-переход определяет дрейфовый ток. Эти токи направлены в про­тивоположные стороны.

Прямое включение р-n-перехода. Если источник напряжения под­ключить знаком плюс к области р-типа, а знаком минус к области n-типа, то получим включение, которое называют прямым (рис.1.5). Противоположное включение называют обратным. Электрическое поле источника напряжения направлено навстречу контактному полю, по­этому напряженность результирующего поля уменьшается, что вызы­вает снижение высоты потенциального барьера на значение прямого напряжения источника. При этом увеличивается число основных но­сителей заряда через р-n-переход, т.е. усиливается диффузионный ток. Даже небольшое напряжение, приложенное к р-n-переходу, вызывает большой ток, так как потенциальный барьер невелик (0,35 В в германиевом и 0,6 В в кремниевом р-n-переходах). В результате действия внешнего поля в прямом направлении в области р-n-пере­хода происходит перераспределение концентрации носителей заряда. Дырки р-области и электроны n-области диффундируют в глубь р-n-перехода и рекомбинируют там. Ширина перехода при этом уменьша­ется, вследствие чего снижается сопротивление запирающего слоя.

Обратное включение р-n-перехода. (рис.1.6) Потенциальный барьер р-n-перехода повышается на величину обратного напряжения источника. Это, в свою очередь, приводит к уменьшению числа основ­ных носителей заряда, способных преодолеть потенциальный барьер, т.е. к снижению диффузионного тока. Ток при обратном включении р-n-перехода называют обратным током. При некотором значении об­ратного напряжения диффузионный ток станет равным нулю. Для не­основных носителей заряда поле р-n-перехода является ускоряющим, поэтому дырки области n из прилегающих к р-n-переходу слоев дрей­фуют в область р-типа, а электроны области р - в область n-типа. Через р-n-переход протекает только дрейфовый ток. Он мал, поскольку мала концентрация неосновных носителей заряда в обеих областях и высоко сопротивление р-n-перехода. Так как концентрация неос­новных носителей заряда определяется тепловой генерацией, ток, образованный ими, называют тепловым. Увеличение потенциального барьера приводит к возрастанию ширины р-n-перехода. Это вызывает повышение сопротивления запирающего слоя.

Таким образом, обратный ток р-n-перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет вентильные свойства р-n-перехода, т.е. способность проводить ток только в одном направлении.

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода. Зависимость тока через р-n-переход от приложенного к нему напряжения называют вольт-амперной характеристикой р-n-перехода. Она описывается уравнением

I=I₀(e^±qU/(kT)-1)

где U - напряжение внешнего источника;

k - постоянная Больцмана;

Т - абсолютная температура;

I₀- тепловой ток;

q - заряд электрона.

Если р-n-переход включен в прямом направлении напряжение берут со знаком плюс, если в обратном - со знаком минус. При комнатной температуре кТ ≈ 0,025 эВ. Если прямое напряжение U ≥ 0,1 В, то можно считать, что прямой ток растет с повышением напряжения экспоненциально. Если обратное напряжение U = - 0,1 В (или по аб­солютному значению больше), то можно считать что обратный ток равен тепловому. Таким образом, рост обратного тока при значи­тельном повышении напряжения (до определенного предела) почти прекращается, наступает как бы его насыщение. Поэтому тепловой ток I₀ называют также током насыщения.

Вольт-амперная характеристика р-n-перехода показана на рис.1.7. При повышении температуры прямой ток через р-n-переход незначительно увеличивается. На обратный ток повышение темпера­туры влияет существенно, поскольку он зависит от концентрации неосновных носителей заряда, которая при повышении температуры экспоненциально возрастает.

Пробой р-n-перехода. Резкое возрастание обратного тока, наступающее даже при незначительном увеличении обратного напряжения сверх определенного значения, называют пробоем перехода. Природ пробоя может быть различной: он может быть электрическим, при котором р-n-переход не разрушается и сохраняет работоспособность, и тепловым, при котором разрушается кристаллическая структура полупроводника. Электрический пробой связан со значительным увеличением напряженности электрического поля в р-n-переходе (бо­лее 10 В/см). Различают два типа электрического пробоя. В по­лупроводниках с узким р-n-переходом возникает туннельный пробой, связанный с туннельным эффектом, когда под воздействием очень сильного поля носители заряда могут переходить из одной области в другую без затраты энергии ("туннелировать" через р-n-переход). Туннельный пробой наблюдается при обратном напряжении порядка нескольких вольт (до 10 В).

В полупроводниках с широким р-n-переходом может произойти лавинный пробой. Его механизм состоит в том, что в сильном электрическом поле может возникнуть ударная ионизация атомов р-n-перехода: носители заряда на длине свободного пробега приобретают кинети­ческую энергию, достаточную для того, чтобы при столкновении с атомом кристаллической решетки полупроводника выбить из ковалентных связей электроны. Образовавшаяся при этом пара свобод­ных носителей заряда "электрон - дырка" тоже примет участие в ударной ионизации. Процесс нарастает лавинообразно и приводит к значительному возрастанию обратного тока. Пробивное напряжение лавинного пробоя составляет десятки и сотни вольт.

Тепловой пробой возникает тогда, когда мощность, выделяемая в р-n-переходе при прохождении через него обратного тока, пре­вышает мощность, которую способен рассеять р-n-переход. Проис­ходит значительный перегрев перехода, и обратный ток, который является тепловым, резко возрастает, а перегрев увеличивается. Это приводит к лавинообразному увеличению тока, в результате чего и возникает тепловой пробой р-n-перехода.