9.12. Понятие о n  p переходе

Для выпрямления переменного тока можно использовать контакт двух примесных полупроводников с различным типом проводимости, например, nр переход.

Для получения n-р перехода используют метод плавления, эпитаксиальный метод, метод ионного легирования. В образец чистого полупроводника, например, германия, вводят две примеси  донорную (мышьяк) и акцепторную (индий).

Рис. 9.23

В результате в одной половине образца (слева) возникает полупроводник n  типа (электронная проводимость), а в другой (справа)  полупроводник р  типа (дырочная проводимость). Между ними возникает переходный слой, т. е. nр контакт. Если оба полупроводника изготовлены на основе одного и того же материала, то границы энергетических зон (валентной и проводимости) в обоих полупроводниках совпадают (рис. 9.23).

Примесные уровни в полупроводнике n  типа расположены в запрещенной зоне вблизи дна зоны проводимости.

В полупроводнике р  типа акцепторные уровни находятся также в запрещенной зоне, но вблизи потолка валентной зоны. Поэтому уровень Ферми в полупроводнике n  типа расположен выше, чем в полупроводнике р  типа. Соответственно работа выхода в первом меньше, чем во втором. Для простоты будем считать, что концентрации акцепторов и доноров равны.

Рис. 9.24

Концентрация носителей в собственном полупроводнике составляет 10¹⁹м^3; концентрация неосновных носителей составляет 10¹⁶ м^3. Изза большого различия в концентрации основных и неосновных носителей при Т  0 К возникают диффузионные потоки: электронов из полупроводника n  типа в полупроводник р  типа и дырок из полупроводника р  типа в полупроводник n типа. При этом область полупроводника n  типа вблизи контакта, заряжается положительно (рис. 9.24, слева), а область полупроводника р типа вблизи контакта (рис. 9.24, справа) заряжается отрицательно.

Поэтому происходит понижение уровня Ферми в полупроводнике n -типа и повышение его в полупроводнике р  типа. Процесс перехода электронов из полупроводника n типа и дырок из полупроводника р  типа будет происходить до тех пор пока уровни Ферми не сравняются, и затем устанавливается динамическое равновесие.

Рис. 9.25

Поток электронов из n (слева) в р (справа) уравновешивается потоком электронов из р (справа) в n (слева). Аналогичный процесс происходит и с дырками. Таким образом, уход электронов из приконтактного слоя полупроводника n -типа приводит к возникновению в этом слое объемного положительного заряда ионизированных атомов донорной примеси.

Соответственно уход дырок из при контактного слоя полупроводника р  типа вызывает появление в этом слое объемного отрицательного заряда, локализованного на атомах акцепторной примеси. Между этими слоями возникает контактная разность потенциалов, создающая в np переходе потенциальный барьер  _рn = W_{F n}  W_{F p} (рис. 9.25), препятствующий переходу электронов из полупроводника n типа в полупроводник р  типа и дырок из полупроводника р  типа в полупроводник n  типа.

Как показывает расчет,

, (9.32)

где n_no  концентрация электронов основных носителей в полупроводнике n  типа; р_ро  концентрация дырок основных носителей в полупроводнике р  типа; n_ро  концентрация дырок неосновных носителей в полупроводнике n  типа; р_nо  концентрация электронов неосновных носителей р  типа.

Рис. 9.26

В n-p переходе на основе германия при Т = 300 К _{р n}  0,45 эВ.

Ширина контактного слоя определяется высотой потенциального барьера и концентрацией основных носителей и составляет d 10 ^8  10 ^6 м.

Таким образом, в состоянии равновесия ток через np переход отсутствует. Приложим к np переходу внешнюю разность потенциалов U, подключив к робласти положительный полюс источника напряжения, а к nобласти  отрицательный (рис. 9.26). Внешняя разность потенциалов вызовет понижение потенциального барьера для основных носителей до _рn  q_еU, где q_e  заряд электрона.

Рис. 9.27

Ширина контактного слоя уменьшится. Под действием электрического поля поток электронов из n  в робласть и поток дырок из р  в n  область увеличится, что приведет к возникновению прямого тока за счет движения основных носителей. В то же время ток не основных носителей останется неизменным, так как концентрация их не зависит от потенциального барьера np перехода.

Если приложить к np переходу внешнюю разность потенциалов U в обратном направлении, подключив к робласти отрицательный полюс источника напряжения, а к nобласти  положительный (рис. 9.27), то под действием этой разности потенциалов потенциальный барьер np перехода повысится до _рn+ q_еU, что вызовет уменьшение потока основных носителей (электронов и дырок) и соответственно уменьшение тока через контактный слой np перехода в прямом направлении. В итоге возникнет обратный ток, вызванный не основными носителями.

Плотность тока через np переход находят по формуле

, (9.33)

где j_S  плотность тока насыщения; знак “+” соответствует прямому току, знак ““  обратному току. При внешней разности потенциалов в

Рис. 9.28

обратном направлении и с увеличением ее величина  0, а величина плотности обратного тока стремится к предельному значению j_S, которая практически достигается при разности потенциалов U  0,1 В.

Величина тока насыщения определяется потоком не основных носителей через np переход.

Например, для германиевых np переходов

j_S 10^-2 A/м².

При Т = 300 К отношение прямого тока к обратному составляет  10⁹, т. е. np переход обладает односторонней проводимостью, что характеризует хорошие выпрямляющие свойства np перехода. На рис. 9.28 приведен график вольтамперной характеристики np перехода.

Кроме диодов существует много типов транзисторов, например, биполярный транзистор, представляющий собой кристалл с двумя р – nпереходами, расстояние между которыми много меньше диффузионной длины неравновесных носителей, используется как усилитель электрического сигнала, применяется в интегральных микросхемах.