Контактные явления в полупроводниках

Контакт полупроводников разного типа, называемый р-n переходом, лежит в основе устройств, называемых транзисторами.

Этот переход представляет собой тонкий слой на границе между двумя областями одного и того же кристалла, отличающимися типом примесной проводимости. Технологически для изготовления такого перехода берут, например, тонкую пластинку монокристалла Ge и вплавляют с одной стороны кусочек In (индия).

В Ge даже в чистом виде есть примеси с донорной проводимостью (это полупроводник n-типа). Вследствие диффузии атомы In проникают в Ge. В этой зоне проводимость Ge будет акцепторной, т.е. р-типа. На границе будет р-n переход.

В р-области основными носителями тока будут дырки, образовавшиеся вследствие захвата электронов атомами примеси. В n-области основные носители тока – электроны, отданные донорами в зону проводимости.

На границе имеет место рекомбинация электронов и дырок, поэтому граница обедняется носителями тока и обладает большим сопротивлением. В области перехода возникает электрическое поле Е. Электроны, попадая в это поле, движутся против поля, а дырки – в направлении поля.

График потенциальной энергии для контактной зоны.

В состоянии равновесия некоторое число основных носителей проходит через потенциальный барьер и через переход течет ток І_осн. этот ток компенсируется встречным током, обусловленным неосновными носителями.

І_осн зависит от высоты потенциального барьера; І_неосн – нет. При некоторой высоте потенциального барьера устанавливается равновесие и І_осн = І_неосн .

Подадим на кристалл внешнее напряжение

А ) «+» подсоединим к р-области, « - » - к n-области. Это приведет к возрастанию потенциала р-области и понижению его в n-области.

Е способствует движению основных носителей заряда и прижимает их к границе между областями.

В результате потенциальный порог уменьшится (І_осн - увеличится, І_неосн –уменьшится).

При увеличении тока напряжение тоже возрастает. Это направление тока называют прямым.

Б ) «+» подсоединим к n-области, « - » - к р-области. Обратное напряжение приводит к увеличению потенциального барьера и к уменьшению І_осн. При очень большом обратном напряжении возникает пробой.

Электрическое поле оттягивает основные носители заряда от границы между областями.

Каждый р-n переход характеризуется своим предельным значением U_обр .

р-n переход обладает в обратном направлении гораздо большим сопротивлением, чем в прямом, поэтому он может быть использован для получения полупроводниковых диодов, применяемых для выпрямления переменного тока.

Транзистор

П олупроводниковый триод или транзистор представляет собой кристалл с двумя р-n переходами. В зависимости от порядка, в котором чередуются области с разными типами проводимости, различают р-n-р и n-р-n транзисторы. Средняя часть транзистора называется его базой. Прилегающие к ней области с иным типом проводимости образуют эмиттер и коллектор.

Рассмотрим принцип работы транзистора р-n-р типа.

Для его изготовления берут пластинку из чистого Ge и с обоих сторон в нее вплавляют In (индий).

Концентрация носителей в эмиттере и коллекторе (дырки) больше, чем в базе (электроны).

Кривые потенциальной энергии.

На переход ЭМИТТЕР-БАЗА подается напряжение в прямом направлении; на переход БАЗА-КОЛЛЕКТОР подается U_обр больше, чем U_прям . На первом переходе потенциальный барьер уменьшается, на втором – возрастает.

Протекание тока в цепи эмиттера сопровождается проникновением дырок в область базы. Далее они диффундируют к коллектору и, так как толщина базы невелика, то дырки не успевают рекомбинировать и достигают коллектора. За счет этого ток, текущий в обратном направлении, увеличивается.

Всякое изменение тока в цепи эмиттера приводит к аналогичному изменению тока в цепи коллектора, однако, поскольку электрическое сопротивление в обратном направлении больше, чем в прямом, при одинаковых изменениях токов изменения напряжения в цепи коллектора намного больше, чем в цепи эмиттера. Следовательно, транзистор усиливает напряжение и , что происходит за счет источника тока, включенного в цепь коллектора.