6. Электронно-дырочный переход (р-п -переход)

Основным элементом структуры большинства типов полупровод­никовых приборов является электрический переход- переходный слои в полупроводниковом материале между двумя областями с раз­личными типами электропроводности или разными значениями

удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом.

Электрический переход между двумя областями полупроводни­ка. одна из которых имеет электропроводность р-типа, а другая —

n-типа, называют электронно-дырочным переходом или р-п-переходом.

Сооздать р-n-переход механическим соединением двух полупро­водников с различным типом электропроводности невозможно электронно-дырочные переходы получают путем введения в полупроводник донорной и акцепторной примесей таким образом, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая — ды­рочной электропроводностью.

Рассмотрим две отдельно взятые области электронного и ды­рочного полупроводников, показанные на рис. 8.9, а. Основные но­сители заряда в полупроводнике n-типа — электроны (на рис. 8.9,о обозначены знаком минус), а в полупроводнике р-типа—дырки (на рис. 8.9, а обозначены знаком плюс). Ионизированные атомы донорной и акцепторной примеси обозначены соответственно знака­ми плюс и минус в кружочках. Неосновные носители в электрон­ном и дырочном полупроводниках не обозначены, так как их кон­центрация очень мала в сравнении с концентрацией основных носи­телей.

Условно будем считать, что п- и р-полупроводники приведены в идеальное соприкосновение (рис. 8.9. б). Так как в n-полупроводнике много электронов, а в р- полупроводнике много дырок, между полупроводниками начнется интенсивный обмен носителями заря­да. За счет разности концентраций электроны из полупроводника n-типа диффундируют в полупроводник р-типа, оставляя в приконтактной области полупроводника n-типа нескомпенсированный по­ложительный заряд ионов донорной примеси. Дырки, в свою очередь,

диффундируют в полупроводник n-типа, в результате чего в приконтактном слое полупроводника р-типа возникнет отрицатель­ный заряд ионов акцепторной примеси. Таким образом, область раз­дела полупроводников п- и р-типа окажется обедненной свободными носителями заряда и, несмотря на малую ширину d = 10^-6 – 10^-8 м. будет обладать большим сопротивлением, во много раз превышаю­щим сопротивление остальной части полупроводников. Наличие отрицательного и положительного объемного зарядов приводит к образованию электрического поля, которое препятствует дальней­шему диффузионному потоку носителей заряда. В равновесное состояние систе­ма приходит при условии равенства по­токов свободных носителей заряда, выз­ванных градиентом их концентраций и диэлектрическим полем объемного заря­да. Теперь рассмотрим, что произойдет, если к р-n-переходу приложить внеш­нее напряжение. Пусть к р-области при­соединен положительный полюс пита­ния, а к n-области — отрицательный. Такое внешнее поле будет направлено навстречу электрическому полю, обус­ловленному объемными зарядами. При этом основные носители заряда в р- и n-полупроводниках, имеющие наиболь­шую энергию, получают возможность проникать через обедненный слой в области, где они оказываются неосновными носителями за­ряда и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током, и можно сказать, что элект­ронно-дырочный переход при такой полярности внешнего напря­жения будет «открыт» и через него потечет прямой ток.

При смене полярности внешнего напряжения электрическое по­ле объемных зарядов и внешнее поле будут совпадать по направле­нию. В результате действия суммарного электрического поля ос­новные носители будут двигаться от перехода и пересечь переход смогут только неосновные носители. Так как количество неоснов­ных носителей во много раз меньше основных, то и ток, ими обу­словленный, будет мал по сравнению с тем, который получится при прямом включении. При данном включении электронно-дыроч­ный переход «заперт» и через него может протекать только малый обратный ток неосновных носителей.

На рис. 8.10 показана зависимость между током, текущим через р-п-переход, и внешним напряжением, которая называется вольт-амперной характеристикой. Описывается вольт-амперная характе­ристика р-n-перехода следующим выражением:

I = Is (e^qU/(kT) –1) (8.29)

где Is — ток насыщения (при обратном включении р-п-перехода этот ток равен обратному току); U — приложенное напряжение;

q/(kT) = 40 В^-1 при комнатной температуре.