Формирование электронно-дырочного перехода.

Электрический переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводимость n-типа, а другая p-типа, называют электронно-дырочным, или p-n переходом.

Error: Reference source not found

рис. 7

Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, а концентрация в p-области выше, чем в n-области, на границе этих областей существует градиент концентрации носителей вызывающий диффузионный ток из n в p и из p в n

Плотность диффузионного тока элементов и дырок определяется следующими выражениями:, гдеи- коэффициенты диффузии. Для германия,.

Error: Reference source not found

рис. 8

Кроме основного тока существует ток и неосновных носителей 3,4.

Вследствие существенного различия в концентрациях основных и неосновных носителей, ток обусловленный основными носителями заряда , будет преобладать над током неосновных носителей.

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то их концентрация выровнялась бы по всему объему кристалла. На самом же деле на границе раздела образуются два слоя противоположных по знаку зарядов. Область пространственных зарядов представляет собой p-n переход. Его ширина не превышает десятых долей микрометра. Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле направленное от положительно заряженных ионов к отрицательно заряженным.

Error: Reference source not found

Рис. 7

Это поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных.

Переход потенциала в переходе равен контактной разности потенциалов этот перепад обачно называютпотенциальным бартером, так как он препятствует перемещению основних носителей заряда.

Следует отметить, что при комнатной температуре в изолированном полупроводнике плотность тока равна нулю, т.е.

Свойства p-n перехода при наличии внешнего напряжения.

При нарушении электронно-дырочного перехода внешним электрическим полем через него начинает протекать ток. Характер токопрохождения и величина тока оказываются разными в зависимости от полярности и приложенного напряжения.

Рассмотрим 1^ыйслучай, когда поле создаваемое напряжением, направлено навстречу собственному полю p-n перехода. Такие включения называютпрямыми.

Error: Reference source not found

Рис. 8

Под действием внешнего поля электроны и дырки будут двигаться навстречу друг другу. При таком движении в объединенном слое n-p увеличивается концентрация носителей заряда, что приводит к уменьшению потенциального барьера и сопротивлению переходного слоя .

Таким образом в цепи установится ток. Нетрудно заметить, что преодолевшие потенциальный барьер носители заряда попадают в область полупроводника для которого они являются неосновными.

Этот процесс называется инжекцией.

Суммарный ток во всех точках полупроводника остается неизменным.

Error: Reference source not found

Рис. 9

Изменив полярность источника питания, мы тем самым увеличим потенциальный барьер за счет оттягивания основных носителей в глубь полупроводника. Для неосновных носителей потенциальный барьер в переходе отсутствует и они будут втягиваться полем в область p-n перехода. Это явление называется экстракцией. При обратном включении преобладающую родь играет дрейфовый ток, получивший названиеобратного тока.

Вольтамперная характеристика p-n перехода.

Вольтамперная характеристика показывает зависимость тока от проложенного напряжения. , где- обратный ток насыщения p-n перехода,- напряжение,- постоянная Больцмана Т⁰- температура.

При увеличении обратного напряжения происходит пробой p-n перехода. Различаются два вида прибоя электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Error: Reference source not found

Рис. 10

Электрический прибой происходит в результате внутренней электростатической эмиссиииударной ионизации атомов полупроводника(лавинный пробой).

Тепловой прибой связан с вырыванием электронов из ковалентных связей за счет тепловых колебаний кристаллической решетки. Тепловая генерация приводит к увеличению обратного тока. Увеличение тока приводит к дальнейшему повышению температуры полупроводника.

При чрезмерном нагреве перехода происходит изменение структуры кристалла и выхода его из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяющая на переходе, невелика, то пробой обратим. В этом случае можно управлять обратным током путем изменения внешнего напряжения.

Анализ вольтамперной характеристики позволяет рассматривать переход как нелинейный элемент.

Сущность электростатической эмиссии заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освобождаться из ковалентных связей и преодолеть не потенциальный барьер. Двигаясь с большей скоростью на участке p-n перехода, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизирую их. В результате чего появляются новые свободные электроны и дверки.