ED641[1]

Благодаря своим особым свойствам, проявляющимся при воздействии на него внешнего электрического поля, р–n-переход является основой ПП приборов.

Наряду с р–n-переходами практическое применение находят другие виды переходов, например переход металл-полупроводник, переход между ПП одного типа, различающимися концентрацией примесей: электронноэлектронный переход (n–n+-переход), дырочно-дырочный переход (р–р+-переход). Знак “+” относится к области с большей концентрацией основных носителей зарядов (примесей).

На практике ЭДП получают в едином кристалле ПП, вводя в одну его область донорную примесь, в другую – акцепторную, используя особую технологию выращивания кристаллов и введения примесей.

При рассмотрении свойств р–n-перехода будем считать, что в граничащих друг с другом областях р- и n-типов существует одинаковая концентрация примесей (имеет место симметричный переход, то есть рр = nn, где рр – концентрация дырок в р-области, nn – концентрация электронов в n-области). В каждой области имеются также неосновные носители электрических зарядов с концентрацией np, pn (np – концентрация электронов в р-области, pn – концентрация дырок в n-области). Очевидно, что в р-области рр >> np, в n-области nn >> pn (рис. 4.1).

В рабочем диапазоне температур атомы примесей полностью ионизированы. Концентрации основных носителей заряда вдали от границы раздела р- и n-области можно считать равными концентрации соответствующей примеси. Электроны из n-области (где их много) диффундируют в р-область (где их мало), при этом в n-области остаются нескомпенсированные положительные ионы доноров и возникает положительный объемный заряд. Электроны, переходящие в р-область, рекомбинируют с дырками, что приводит к образованию нескомпенсированного отрицательного заряда ионов акцепторов вблизи границы раздела. В результате описанного процесса вблизи границы раздела образуется область пространственного заряда или обедненная область, в которой концентрация электронов и дырок понижена. Эта область имеет высокое электрическое сопротивление, ее называют также запирающим слоем.

Распределение объемного заряда показано на рис. 4.1, в.

В области пространственного заряда образуется внутреннее электрическое поле, с увеличением которого увеличивается сила, препятствующая диффузионному перемещению электронов из n- в р-область. В результате конкурирующих процессов диффузии и дрейфа носителей заряда между р- и n-областями перехода устанавливается некоторая равновесная разность потенциалов (рис. 4.1, а), которая носит название контактной разности потенциалов и связана с распределением напряженности электрического поля соотношением

21

Слой l0, образованный участками по обе стороны от границы раздела, где остались только неподвижные заряды ионизированных примесей, и есть р–n-переход. Слой l0обладает очень большим электрическим сопротивлением, так как из него ушли подвижные заряды.

Следует отметить, что потенциальный барьер препятствует движению основных носителей, но он не препятствует движению неосновных носителей зарядов.

Возникающий под действием поля барьера дрейфовый ток неосновных носителей компенсирует диффузионный ток основных носителей, и в ПП создается равновесное состояние, то есть суммарный ток через р–n-переход равен нулю.

Величина потенциального барьера 0 численно равна контактной разности потенциалов UK . При комнатной температуре 0 0,3 0,5 В – для германия, 0 0,6 0,8 В – для кремния. С повышением температуры

0 уменьшается.

Всимметричном переходе (с равными концентрациями неосновных носителей) по обе стороны от границы толщина запирающего слоя одинакова, в несимметричном – различна. Несимметричные р–n-переходы применяются чаще.

4.2. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении

Процессы в р–n-переходе зависят от полярности внешнего источника напряжения. Если источник с напряжением Uпр подключен плюсом к

р-области, а минусом к n-области (рис. 4.2, а), то он внутри кристалла создает электрическое поле, направленное навстречу внутреннему электрическому полю р–n-перехода, обусловленному потенциальным барьером. В результате происходит снижение потенциального барьера до величины

UK 2Uпр (рис. 4.2, б).

Основные носители диффундируют через р–n-переход более интенсивно, так как этому способствует снижение потенциального барьера. В результате р–n-переход обогащается подвижными носителями зарядов и снижается его сопротивление. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения до Uпр UK приводит к исчезновению потенциального барьера и сво-

бодной диффузии основных носителей в те области, где они являются неосновными. Это явление, возникающее при снижении потенциального барьера, называют инжекцией.

Движение основных носителей через р–n-переход создает электрический ток и во внешней цепи. Уход электронов из n-области в р-область и исчезновение их за счет рекомбинации восполняется электронами, которые

23

Так как р–n-переход обладает большим сопротивлением, то внешнее напряжение Uобр почти полностью прикладывается к слою кристалла, где

существует р–n-переход. В результате происходит суммирование векторов напряженности электрического поля, создаваемых внешним источником напряжения и объемными зарядами атомов примесей на границе раздела. Это приводит к возрастанию потенциального барьера до величины

UK 2Uобр (рис. 4.3, б).

Из-за повышения потенциального барьера диффузия основных носителей зарядов практически совсем прекращается. Основные носители отходят от р–n-перехода под действием Uобр , ширина слоя, обедненного но-

сителями заряда, возрастает, следовательно, растет сопротивление р–n-перехода.

Однако внутреннее поле р–n-перехода способствует переходу через него неосновных носителей, образующих при встречном движении обратный ток iобр (см. рис. 4.3, а). Так как концентрация их мала, то мала и величина этого тока. Обратный ток мало зависит от величины Uобр, он явля-

ется по существу дрейфовым тепловым током.

Процесс захвата неосновных носителей полем р–n-перехода называется экстракцией. Убыль неосновных носителей из глубинных слоев кристалла ПП компенсируется зарядами, поступающими из внешнего источника. Следовательно, во внешней цепи возникает ток, равный обратному. Величина iобр сильно зависит от температуры, но этот ток очень мал по

сравнению с током через р–n-переход при прямом внешнем напряжении.

4.4. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода. Пробой перехода (лавинный, полевой, тепловой).

Емкость р–n-перехода

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) р–n-перехода представляет собой зависимость тока от напряжения, приложенного к переходу (рис. 4.4). Прямой ток создается диффузией основных носителей заряда через переход. С увеличением прямого напряжения Uпр от нуля до значения, равного

UK , прямой ток растет медленно. Затем, когда потенциальный барьер исчезает (при Uпр UK ), ток начинает резко увеличиваться с ростом Uпр,

так как интенсивность диффузии быстро растет.

Обратный ток при включении обратного напряжения Uобр создается

дрейфом через р–n-переход неосновных носителей. Поскольку концентрация их много меньше концентрации основных носителей, то этот ток много меньше прямого. При малых значениях Uобр обратный ток вначале на-

26

где e 1,6 10 19 К – заряд электрона; k 1,38 10 6 эрг/град – постоянная Больцмана; U – внешнее напряжение, В; T – температура, К; I0 – постоянная величина, А.

Это выражение выведено при допущениях, что все внешнее напряжение приложено к р–n-переходу, а на сопротивлениях областей р и п падения напряжения нет. Такие допущения позволили пренебречь электрическим полем в областях р и п и считать, что ток обусловлен только диффузией электронов и дырок. При отрицательном напряжении в несколько десятых долей вольта ток через переход достигает насыщения и становится равным I0 .

Обычный выпрямительный диод не подвергается действию напряжения, превышающего или равного критическому, то есть до начала пробоя. Поэтому можно считать, что вольт-амперная характеристика диода при от-

получим

B

I0 I e T .

28

Iобр, мкА

Ge

Рис. 4.5. ВАХ кремниевого и германиевого р–п-переходов при различных температурах

Коэффициенты I и B могут быть найдены экспериментально путем изменения начального статического тока при двух известных значениях температуры T1 и T2:

Отсюда можно получить выражение температурной зависимости начального статического тока р–n-перехода, из которого исключено значение

I :

Рассмотрим причины пробоя р–n-перехода при увеличении обратного напряжения.

При повышении обратного напряжения возрастает генерация пар “электрон – дырка”. В зависимости от причин, вызывающих генерацию пар, пробой может быть тепловым или электрическим. Электрический пробой в свою очередь делится на лавинный и полевой.

Лавинный пробой – это лавинное умножение носителей зарядов под действием сил электрического поля. Он обусловлен ударной ионизацией атомов ускоренно движущимися неосновными носителями зарядов. С рос-

29

том Uобр растет напряженность поля Eобр , увеличивается скорость движе-

ния электронов, а следовательно, их энергия в области р–n-перехода. При достижении определенного значения Eобр они приобретают энергию, дос-

таточную для ионизации, то есть вырывания других электронов из ковалентных связей. Движение вновь образованных пар приводит к новым актам ионизации, то есть происходит лавинное нарастание обратного тока. Далее идет интенсивный нагрев ПП, и ток можно ограничить только внешним сопротивлением.

Лавинный пробой возникает в ПП с достаточно широким р–n-переходом при напряженности электрического поля 5 104 В/см.

Полевой пробой – это резкое увеличение обратного тока при определенном обратном напряжении. Ток возрастает из-за “отрыва” валентных электронов от атомов под действием внешнего электрического поля, создаваемого обратным напряжением. Полевой эффект заключается в переходе валентных электронов р-области непосредственно в зону проводимости n-области в связи с тем, что сильное внешнее поле ослабляет действие положительного заряда атома, притягивающего валентные электроны. Полевой пробой называют иначе: эффект Зенера, внутренняя эмиссия поля.

Лавинный и полевой пробои не страшны. Они не разрушают р–n-переход. Процессы при этих видах пробоя обратимы, при уменьшении Uобр выпрямительные свойства перехода восстанавливаются. На ВАХ уча-

сток А-Б-В (см. рис. 4.4) соответствует электрическому пробою ПП. Тепловой пробой обычно носит локальный характер. Из-за неоднород-

ности р–n-перехода может чрезмерно нагреться его отдельный участок при протекании большого тока. В результате данный участок расплавляется и прибор придет в негодность. Тепловой пробой может возникнуть как при полевом, так и при лавинном пробое, если отсутствует теплоотвод. Области необратимого пробоя на ВАХ соответствует участок В-Г (см. рис. 4.4).

Участок Б-В ВАХ является рабочим для специальных диодов – стабилитронов, применяемых в качестве стабилитронов напряжения. Участок ВАХ справа от точки А – рабочий для выпрямительных диодов.

Емкость р–n-перехода

Р–n-переход при обратном напряжении аналогичен конденсатору со значительным током утечки в диэлектрике. Сам р–n-переход из-за ухода из него подвижных носителей заряда имеет высокое сопротивление и играет роль диэлектрика, по обе стороны которого расположены два разноименных объемных заряда Qб , созданных ионами доноров и акцепторов. Поэтому р–n-переход обладает емкостью, подобно конденсатору с двумя обкладками. Ее называют барьерной емкостью Cб Qб Uобр . Величина Cб

30