35.8. Электронно-дырочный переход

Рассмотрим физические процессы, происходящие в месте контакта двух полупроводников типа итипа. В полупроводникетипа основными носителями тока являются электроны, в полупроводнике типа – дырки. Такой контакт называетсяэлектронно-дырочным переходом или переходом. На практике переход создается не механическим соединением, а образованиемиобластей в процессе выращивания кристалла или диффузией примесных атомов в уже готовый кристалл.

Поскольку в области преобладают электроны проводимости, а вобласти – дырки, то в области контакта существуют встречные градиенты концентрации электронови дырок, гдеи– концентрации электронов и дырок,– пространственная координата по нормали к границе контакта. Тепловое движение электронов и дырок создаетдиффузионный ток плотностью

, (35.10)

где и– коэффициенты диффузии электронов и дырок.

Впроцессе диффузии электроны проникают вобласть, где рекомбинируют с дырками, а дырки, проникшие вобласть, рекомбинируют с электронами. Поэтому прилегающие к границе тонкие слои полупроводника будут обеднены на носители тока. Зато проявятся заряды неподвижных примесных ионов, которые раньше компенсировались основными носителями тока. В прилегающем к границе слоеобласти появится положительный объемный заряд, а в таком же слоеобласти – отрицательный объемный заряд (см. рис. 35.16).

Таким образом, на границе перехода возникает двойной электрический слой. Векторсоздаваемого им поля направлен отобласти кобласти. Хотя толщина этого слоя и невелика (), все же электропроводность его вследствие чрезвычайно низкой концентрации носителей тока очень мала. Полесоздаетдрейфовый ток (так называют ток, создаваемый электрическим полем, в отличие от диффузионного тока, создаваемого градиентом концентрации) напряженностью

, (35.11)

где и– подвижности электронов проводимости и дырок, соответственно. Если кпереходу не подключено внешнее напряжение, то поле перехода создает ток неосновных носителей, концентрация которых очень мала. Контактная разность потенциалов возрастает до тех пор, пока дрейфовый ток не уравновесит ток диффузионный.

Приконтактный слой со сниженной вследствие рекомбинации встречных потоков электронов и дырок концентрацией носителей тока называют запирающим слоем. В запирающем слое возникает контактная разность потенциалов или, иначе говоря, создается потенциальный барьер (несколько десятых вольта) для основных носителей тока.

Согласно представлениям зонной теории, область в результате диффузии электронов приобретает отрицательный потенциал, аобласть в результате диффузии дырок – положительный потенциал. Потенциальная энергия электрона вобласти возрастает на величину, а вобласти уменьшается на величину. Энергетические зоныобласти поднимаются, а энергетические зоныобласти опускаются до выравнивания уровней Фéрми обеих областей. В областиперехода энергетические зоны изгибаются, как это показано на рис. 35.17.

Подключим к кристаллу с переходом внешний источник ЭДС, как показано на рис. 35.20. Теперь внешнее электрическое полеослабляет встречное поле, снижается потенциальный барьер, как это показано на зонной диаграмме рис. 35.18. Сопротивление переходного слоя уменьшается, ток основных носителей резко возрастает. Под действием поляосновные носители – электроны и дырки в толще полупроводника движутся кпереходу, и толщина запирающего слоя уменьшается. Ток возрастает за счет обогащения запирающего слоя основными носителями. Направление тока, прохождению которогопереход практически не оказывает сопротивления, называетсяпрямым или пропускным. Прямой ток проходит через переход от дырочного () полупроводника к электронному ().

Изменим теперь полярность включения источника ЭДС (рис. 35.21). В этом случае векторыиимеют одинаковое направление, потенциальный барьер, как это показано на зоной диаграмме рис. 35.19, повышается. Сопротивление запирающего слоя еще больше возрастают. Электроны и дырки перемещаются в противоположных направлениях отперехода, который, таким образом, обедняется на основные носители тока. Такое направление поляназываетсяобратным или непропускным. Незначительный обратный ток может поддерживаться лишь за счет неосновных носителей тока.

На рис. 35.22 показана статическаявольт-амперная характеристика перехода зависимость тока через переход от приложенного к переходу внешнего напряжения . Участку А характеристики соответствуетпрямой ток, а участку В – малый обратный ток. Обратный ток уже при достаточно малых значениях обратного напряжения достигает насыщения, когда практически все зарождающиеся в толще полупроводника неосновные носители рекомбинируют в области перехода и поэтому обратный ток не может больше возрастать, несмотря на увеличение напряжения. При достаточно высоком обратном напряжении количество неосновных носителей лавинообразно нарастает вследствие ионизации атомов полупроводника ускоренными электрическим полем электронами, происходит электрический пробой перехода. При этом величина тока стремительно растет (участок С характеристики), и контактный слой может разрушиться. На участках А и Б вольт-амперная характеристика перехода описывается выражением

, (35.12)

где –обратный ток насыщения, – элементарный заряд,– постоянная Больцмана,– абсолютная температура.