14. Контакт полупроводник – полупроводник

Контакт полупроводников разного типа (n-p-переход) обладает рядом интересных свойств. Два незаряженных полупроводника приведены в соприкосновение. Начинается диффузия электронов и дырок через контакт. электроны переходят преимущественно в p-полупроводник, дырки – в n-полупроводник. Дырочный полупроводник заряжается отрицательно, электронный положительно. Возникает контактное поле напряженностью , препятствующее дальнейшей диффузии электронов и дырок. Устанавливается динамическое равновесие, при котором суммарный ток через контакт равен нулю. При этом различными становятся потенциалы полупроводников (рис. 3.30).

Энергия свободного заряда связана с потенциалом формулой . Поэтому дырки в положительном n-полупроводнике имеют положительную, а в отрицательном p-полупроводнике – отрицательную энергии. Энергия электронов, наоборот, положительна в отрицательно заряженном p-полупроводнике и отрицательна в n-полупроводнике.

Теперь, чтобы перейти через контакт, электроны n-полупроводника должны иметь энергию, значение которой больше разности энергий (рис. 3.30). Аналогичную энергию для перехода через контакт должны иметь дырки p-полупроводника.

Иначе говоря, контакт представляет собой потенциальный барьер для основных свободных зарядов – электронов n-полупроводника и дырок p-полупроводника. Основных свободных зарядов, имеющих достаточную энергию, сравнительно мало, их число зависит от высоты потенциального барьера: чем он выше, тем меньше таких зарядов.

Н еосновные свободные заряды (электроны из p- и дырки из n-полупроводника) «скатываются» с потенциального барьера, число таких зарядов, переходящих через контакт, не зависят от высоты потенциального барьера и определяются их концентрацией (которая сравнительно невелика, заряды – неосновные!).

Ток основных зарядов через контакт направлен справа налево, его плотность . Ток неосновных зарядов направлен слева направо и его плотность . Плотность результирующего тока в случае стационарности.

Допустим, что это не так. Если , то через контакт пойдет результирующий ток справа налево, что приведет к повышению потенциала в n-области и понижению – в p-области, т.е. к увеличению потенциального барьера и соответствующему уменьшению плотности . Если , то результирующий ток пойдет в обратном направлении, что приведет к уменьшению потенциального барьера и увеличению . Таким образом, условие поддерживается автоматически.

Включим внешнее электрическое поле, направленное, как показано на рисунке 3.31. Потенциал n-полупроводника станет ниже, p-полупроводника – выше, соответственно изменятся энергии свободных зарядов и уменьшится высота потенциального барьера. Плотность тока (через контакт) неосновных свободных зарядов от этого не изменится, плотность же тока основных зарядов резко увеличится, так как теперь через контакт могут пройти такие основные заряды, энергия которых больше нового потенциального барьера. Результирующая плотность будет отличной от нуля, через контакт пойдет ток, направленный справа налево. Плотность результирующего тока достаточно велика и зависит от приложенного напряжения. Этот ток называют прямым, а его направление – проходным.

Приложим теперь к n-p-переходу противоположную разность потенциалов (рис. 3.32). Потенциалы теперь увеличатся по абсолютной величине, соответственно увеличивается и высота потенциального барьера. Это не сказывается на плотности тока неосновных зарядов, плотность же тока основных свободных зарядов резко уменьшится, так как гораздо меньше таких зарядов имеют энергию, достаточную для преодоления нового потенциального барьера. Через контакт пойдет результирующий ток слева направо. Если к контакту приложено напряжение больше 1 В, то ток основных свободных зарядов практически полностью прекращается и . Через контакт идет малый ток неосновных свободных зарядов, плотность которого определяется их концентрацией. Этот ток называют обратным, а его направление – запорным.

Мы пришли к представлению о вентильном (одностороннем) действии n-p-перехода. Его вольт-амперная характеристика изображена на рисунке 3.33. Положительные направления осей соответствуют прямому току. Отношение прямого и обратного токов может быть порядка нескольких сотен. Контакт двух полупроводников разного типа представляет собой полупроводниковый выпрямитель.