13) Прохождение тока через электронно-дырочный переход
Схема
Электро́нно-ды́рочный перехо́д (p-n-переход, n-p-переход), переходная область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.Электронно-дырочный переход является основой широкого класса твердотельных приборов для нелинейного преобразования электрических сигналов в различных устройствах электронной техники.
В состоянии равновесия уровень Ферми в n- и p-областях выравнивается. Происходит это в результате следующих процессов. На представленной схеме изображен полупроводниковый монокристалл, (например, германий или кремний), правая часть которого легирована донорной примесью и обладает n-типом проводимости, а левая часть монокристалла легирована акцепторной примесью и является полупроводником p-типа проводимости. В общем случае концентрация доноров и акцепторов может быть неодинакова.
Так как концентрация электронов в правой части кристалла (в донорной области) выше, электроны проводимости будут диффундировать в левую часть кристалла через границу раздела и рекомбинировать с дырками. Дырки будут диффундировать в противоположном направлении. В результате в приконтактной области донорного полупроводника практически не остается свободных электронов, и в ней формируется объемный положительный заряд неподвижных ионизированных доноров. Ионизированные акцепторы создают область отрицательного пространственного заряда в акцепторном полупроводнике. Взаимная диффузия электронов и дырок продолжается до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает от заряда неподвижных доноров и акцепторов, не остановит диффузионный ток, и в полупроводнике появится потенциальный барьер UD, препятствующий самопроизвольному току в кристалле. Этот потенциал играет роль контактной разности потенциалов. Это же поле выталкивает неосновные носители, перебрасываемые из одной области в другую, и в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения, полный ток через электронно-дырочный переход равен нулю.
Таким образом, в электронно-дырочном переходе существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течет к p-n-переходу и проходит через него под действием контактного поля. Равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через переход в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер).
По характеру распределения примесей p-n- переходы подразделяют на резкие и плавные. В случае резкого перехода потенциал UD простирается на малую длину, в случае плавного перехода — на значительную.
Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если напряжение источника питания приложено таким образом, что плюс подсоединен к p-области кристалла, а минус — к n-области, то такое направление называется пропускным. В этом случае внешнее поле направлено против контактного, то есть потенциальный барьер понижается (прямое смещение). С ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через электронно-дырочный переход. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает.
Изменение напряжения, приложенного к p-n-переходу, приводит к расширению или уменьшению области пространственного заряда. Зависимость емкости от приложенного напряжения позволяет использовать p-n-переход как электрический конденсатор переменной емкости — варикап.
Зависимость сопротивления p-n-перехода от величины и знака приложенного напряжения позволяет использовать его в качестве регулируемого сопротивления — варистора.
При подаче на электронно-дырочный переход достаточно высокого обратного смещения U = Uпрвозникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток. Состояние, при котором происходит электрический пробой p-n- перехода, является нормальным режимом работы некоторых полупроводниковых приборов, например, стабилотронов.
В зависимости от физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают три основных механизма пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный, тепловой.
Туннельный (зинеровский) пробой, возникает при туннелировании носителей сквозь барьер), когда происходит, например, туннельное просачивание электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области полупроводника. При лавинном пробое p-n-перехода на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель заряда приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки, то есть в его основе лежит ударная ионизация. С ростом напряженности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер.
В p-n-переходах может также наблюдаться поверхностный пробой. Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной заряда, локализованного на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода наружу. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.
Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости емкости от напряжения, p-n- переходы находят многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей.