2.5 Электронно-дырочный переход

2.5.1 Полупроводниковый p-n-переход в отсутствие внешних напряжений

Полупроводниковая структура, сочетающая в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p­), а другой электронной (n) проводимостью называется электронно-дырочным переходом (p-n– переходом) (рис. 2.2, а).

На границе раздела двух сред АВ в слое, толщиной l₀, возникает разница концентрации основных носителей зарядаp_pиn_n(рис. 2.2, б). Вследствие этого возникает ток диффузииJ_диф: дырки из областиp, где концентрация их велика (p_p), переходят в областьn, где их концентрация мала (p_n), а электроны из областиn, где концентрация их велика (n_n), переходят в областьp, где их концентрация мала (n_p) (рис. 2.2, б).

В области nдырки рекомбинируют с электронами, и вблизи границы возникает объемный положительный заряд в виде положительных ионов полупроводника, а в областиpэлектроны рекомбинируют с дырками, и вблизи границы образуется объемный отрицательный заряд (рис. 2.2, а, г). Ввиду наличия объемного заряда вp-n-переходе создаются электрическое полеЕ(рис. 2.2, д) и разность потенциаловφ₀(рис. 2.2, е). Возникающие поле и разность потенциалов препятствуют увеличению тока диффузии, так как для основных носителей заряда они являются тормозящими. Однако для неосновных носителей заряда возникающее поле и разность потенциалов являются ускоряющими. Поэтому неосновные носители зарядаn_pиз областиpдвижутся в областьn, а неосновные носители зарядаp_nиз областиnдвижутся в областьp, создавая ток дрейфаJ_др(рис. 2.2, в).

В установившемся режиме при отсутствии внешних потенциалов ток диффузии и ток дрейфа равны и противоположны по знаку и кристалл полупроводника остается электрически нейтральным. Равенство составляющих тока J_диф=J_дрсоздается установлением соответствующей величины потенциального барьераφ₀вp-n-переходе.

При комнатной температуре для германия φ₀= (0,3 – 0,6) В, а для кремнияφ₀= (0,6 – 0,8) В. Различие в значенияхφ₀объясняется большей величиной запрещенной зоны∆Wу кремния и, следовательно, меньшей концентрацией неосновных носителей заряда (при одинаковой температуре и одинаковых концентрациях внесенных примесей).

2.5.2 Прямое смещение p-n-перехода

Подключение к p-n-структуре внешнего напряжения (напряжения смещения) приводит к изменению условий переноса заряда черезp-n-переход. Существенную роль при этом играет полярность внешнего напряжения, прикладываемого кp-n-переходу. Рассмотрим случай, когда внешнее напряжениеU_aподключено в прямом направлении, т.е. плюсом кp-области, а минусом – кn-области (рис. 2.3, а). При таком подключении источника создаваемое им электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю в переходе, что приводит к уменьшению результирующего поля вp-n-переходе. Объемному заряду вp-n-переходе будет отвечать напряжениеφ₀ – U_a, меньшее, чем в отсутствие внешнего источника. Величинаφ₀ – U_aопределяет величину потенциального барьера вp-n-переходе при включении внешнего источника в прямом направлении (рис. 2.3, б).

Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через границу раздела, что приводит к увеличению диффузионного тока (рис. 2.3, в).

С повышением приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается, так как уменьшившийся потенциальный барьер способны преодолеть основные носители заряда, обладающие меньшей энергией. В связи с этим возрастает прямой ток через переход. Примерный вид прямой ветви вольт-амперной характеристики p-n-перехода показан на рис. 2.3, г.