Лекция 1 Электронно-дырочный переход. Полупроводниковые диоды

1.1 Электронно-дырочный переход и его вольт-амперная характеристика

Работа практически всех полупроводниковых приборов основана на использовании свойств - перехода, который образуется на месте контакта двух полупроводников различного типа проводимости. В полупроводнике типа основными носителями являются дырки, их высокая концентрация получена за счет введения акцепторной примеси. В полупроводнике типаосновными носителями являются электроны, их высокая концентрацияполучена за счет введения донорной примеси. Если обеспечить надежный электрический контакт между полупроводниками – и – типа (например, путем контактной сварки), то из-за градиента концентрации носителей в области контакта возникает диффузионный поток дырок из – области в – область и встречный поток электронов из – области в – область. Эти потоки, обусловленные инжекцией электронов и дырок через область контакта, называют диффузионными. Общий диффузионный ток направлен из области в (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 -. Электронно-дырочный переход

при отсутствии внешнего электрического поля

Преодолев границу контакта, электроны и дырки попадают в области, в которых они являются неосновными носителями, и под действием сил притяжения диффундируют внутрь полупроводника, где встречаются с основными носителями и образуют нейтральную частицу – рекомбинируют. После ухода дырок из – области вблизи границы раздела остается объемный отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторной примеси, и, точно так же появляется объемный положительный заряд донорных атомов в– области. Очень важно понять, что эти зарядынеподвижны!

Таким образом, формируется двойной слой электрических зарядов (аналог конденсатора), электрическое поле которого создает потенциальный барьер , препятствующий дальнейшей диффузии электронов и дырок

Внутреннее электрическое поле вызывает движение (дрейф) неосновных носителей заряда, которые возникают в результате термогенерации. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному токуи уравновешивает его. Суммарный ток через переход равен нулю.

Электронно-дырочный переход лишен подвижных носителей заряда и обладает очень большим сопротивлением. Ширина этого слоя , составляющая доли микрон, зависит от концентраций акцепторнойи донорнойпримесей. Объемные заряды по обе стороны границы раздела равны

, (1.1)

где - заряд электрона.

- ширина - перехода в - области;

- ширина - перехода в - области.

Если , то такой переход имеет одинаковой длины участки,. Такой переход называют симметричным. Часто, тогда, т.е. переход несимметричный, он смещен в - область.

Для изучения свойств - перехода к нему подключают внешний источник напряжения, при этом возможны два варианта: прямое включение и обратное.

Прямое включение электронно-дырочного перехода (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 - Прямое включение - перехода

Положительный полюс источника подключается к – области, а отрицательный к – области. Из-за встречного направления внешнего и внутреннего электрических полей потенциальный барьер снижается на величину . В результате этого увеличивается диффузионная составляющая тока через переход, т.к. возрастает количество носителей, обладающих энергией достаточной для преодоления уменьшенного потенциального барьера. Дрейфовая составляющая тока, определяемая только количеством неосновных носителей, остается постоянной. Таким образом, возникает прямой ток через переход. По мере роста прямого напряжения потенциальный барьер снижается, ширина- переходауменьшается, а при потенциальный барьер и переход исчезают. Прямой ток стремится к бесконечности.

Обратное включение (рисунок 1.3).. Положительный полюс источника

подключается к , а отрицательный полюс к- области. Это приводит к увеличению результирующего электрического поля и к росту потенциального барьера

.

Диффузионная составляющая тока уменьшается, т.к. меньшее число основных носителей заряда способно преодолеть возросший потенциальный барьер, а дрейфовый ток остается неизменным, его величина зависит только от концентрации неосновных носителей заряда. При диффузионный ток практически равен нулю, а обратный токстремится к току дрейфа.

Рисунок 1.3 - Обратное включение - перехода

При обратном включении - перехода заряд двойного электрического слоя увеличивается из-за роста суммарного электрического поля, а, следовательно, ширина- переходаувеличится.

Вольт-амперная характеристика - перехода (рисунок 1.4). имеет две ветви прямуюI и обратную II. Сопоставляя прямой ток (ветвьI), который создается диффузией основных носителей и обратный ток (ветвьII), создаваемый за счет дрейфа неосновных носителей; а также учитывая, что концентрация основных носителей много больше, чем концентрация неосновных, можно сделать вывод об односторонней проводимости электронно-дырочного перехода.

Рисунок 1.4 -. Вольт-амперная характеристика - перехода:

прямая ветвь ВАХ – I; обратная ветвь ВАХ - II

Аналитическое выражение, описывающее вольт-амперную характеристику - перехода, имеет вид

, (1.2)

где - ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда,

- тепловой потенциал (при ).

Из этого выражения видно, что при ток через переход равен нулю; в случае прямого напряженияединицей можно пренебречь и зависимость будет носить экспоненциальный характер, а при обратном напряжениивеличинуможно не учитывать и тогда.

Пробой -перехода. При некотором критическом значении обратного напряженияна-переходе малый обратный ток начинает резко возрастать (рисунок 1.5). Это явление называютпробоем -перехода.

Рисунок 1.5 -. Вольт-амперная характеристика -перехода с участком пробоя

Существуют три основных механизма пробоя: тепловой,лавинныйиполевой(туннельный). Два последних механизма пробоя – электрические.

Резкий рост обратного тока в -переходе возможен при увеличении числа неосновных носителей в самом- переходе. При тепловом пробое это происходит за счет выделения тепла на сопротивлении перехода при прохождении через него обратного тока, что приводит к повышению температуры кристалла и необратимым структурным изменениям.

Лавинный пробой - перехода – это пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Неосновные носители, проходя через область- перехода при обратном напряжении, приобретают в сильном электрическом поле на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар, путем ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь образованные носители тоже попадают в сильное электрическое поле и на длине свободного пробега приобретают достаточную энергию для ионизации следующего атома. Процесс развивается лавинообразно, что и отражает название пробоя.

Туннельным пробоем - перехода называют пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда через запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование возможно, если толщина -перехода, который должны преодолеть электроны, достаточно мала, при этом проявляются волновые свойства электрона.