1 Физика явления p-n –перехода. Диоды

Электронно-дырочный переход.

Электронно-дырочным переходом (ЭДП) называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая - дырочную проводимость. Существуют различные технологии изготовления электронно-дырочного перехода: диффузия, эпитаксия, сплавление. Так же ЭДП различаются по конструкции: симметричные и несимметричные, резкие и плавные, плоскостные и точечные, однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом- нет.

Устройство электронно-дырочного перехода показано на рисунке 1 Одна часть этого перехода имеет электронную проводимость, другая дырочную.

Р ис. 1. Устройство электронно-дырочного перехода

Электроны N-области стремятся проникнуть в P-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из P-области перемещаются в N-область. В результате возникает диффузионный ток. Электроны и дырки, пройдя через границу раздела, создают электрическое поле , которое препятствует дальнейшему прохождению диффузионного тока. Электрическое поле для основных носителей электрических зарядов является тормозящим, а для неосновных - ускоряющим.

Высота потенциального барьера на p-n - переходе определяется контактной разностью потенциалов N и P областей, обычно не превышающей 1В.

Контактная разность потенциалов, в свою очередь зависит от концентрации примесей в этих областях

(1).

Где и - концентрация электронов и дырок в n и p областях, - концентрация носителей зарядов в нелегированном проводнике.

Контактная разность потенциалов для германия составляет 0,6…0,7 В, для кремния 0,9…1,2 В.

Высоту потенциального барьера можно менять приложением внешнего напряжения. Если внешнее напряжение создает в p-n - переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличивается. И наоборот, если внешнее напряжение создает в p-n - переходе поле, которое противоположно внутреннему, то высота потенциального барьера уменьшается.

Вольт-амперная характеристика. Прямой и обратный токи.

Обратный ток в p-n - переходе вызывается неосновными носителями одной из областей, которые, дрейфуя в электрическом поле области объемного заряда, попадают в область, где они являются основными. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного количества основных носителей не изменит равновесного состояния полупроводника. Т.о. обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границе области объемного заряда.

Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из одной области в другую, но не число носителей, проходящих через переход в единицу времени. Следовательно, обратный ток через переход является током проводимости и не зависит от высоты потенциального барьера, т.е. он остается постоянным при изменении обратного напряжения.

При прямом смещении p-n - перехода появляется также диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер (инжекция носителей). Т.е при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из дырочной - инжекция дырок.

Диффузионный ток зависит от высоты потенциального барьера экспоненциально:

, (2)

где U - напряжение на p-n – переходе.

Кроме диффузионного тока прямой ток содержит ток проводимости, протекающий в обратном направлении, поэтому полный ток при прямом смещении p-n - перехода будет равен разности диффузионного тока и тока проводимости.

. (3)

Этому уравнению соответствует вольт-амперная характеристика (ВАХ), представленная на рис. 2б.

Из выражения 3 можно определить дифференциальное сопротивление p-n - перехода:

. (4)

Р ис. 2. Условное обозначение (а) и ВАХ (б) полупроводникового диода