7. Модельні уявлення, щодо контакту двох напівпровідників із різними типами провідності. Ефект випрямлення струму на p-n переході.

энергетическую диаграмму электронно-дырочного перехода при термодинамическом равновесии можно изобразить, как показано на рис. 2.1, г. Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует (если соответствующие области легированы равномерно) или относительно мало по сравнению с полем в р-n-переходе. Поэтому энергетические зоны в этих областях изображены горизонтальными. Взаимное расположение разрешенных зон и уровня Ферми за пределами р-n-перехода остается таким же, каким было в соответствующих полупроводниках.

Резкие и плавные переходы

Линейный закон распределения примесей N(х)=ах (2.28) здесь а — градиент концентрации при­месей, который можно считать постоянным при очень малой толщине р-n-перехода по сравнению с толщиной области, где концентрация примесей переменна.

Определение границ и толщины р-n-перехода

Решение уравнения электрической нейтральности (2.13) в дан-ном случае приводит к соотношению _з= _т = /2 (2.31) т. е. рассматриваемый переход является симметричным. Из уравнения (2.16) с учетом (2.28) можно получить полное падение потенциала на р-м-переходе:

При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности из-за градиента концентрации носите­лей заряда возникает их диффузия в области с противополож­ным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобла­дающих в полупроводнике). В р-области вблизи металлургического контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области — нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область Пространственного заряда, состоящая из двух разноименно за­ряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к р-области и называемое диффузионным электрическим полем. Возникшее Диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей Диффузии основных носителей через металлургический контакт — устанавливается равновесное состояние. I Между n- и р-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу р-области;

Высота потенциального барьера

Как видно из рис. 2.1, г, высота потенциального барьера р-n-перехода

Пользуясь соотношениями (1.17) и (1.18), запишем

Следовательно, высота потенциального барьера

или при использовании соотношения (1.19)

учтем, что концентрация основных носителей заряда значительно меньше плотности возможных состояний в соответствующих зонах, т. е. n_n0p_p0<<4N_cN_в. Тогда

Из соотношения (2.4) можно сделать следующие выводы: 1) при одних и тех же концентрациях примесей высота потенциального барьера больше в р-n-переходах, созданных в полупроводниках с большей шириной запрещенной зоны; 2) высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях; 3) с увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Випрямлення на р-n переході.

Приложимо до р-n переходу зовнішню напругу в прямому напрямку, до р-області „+”, а до n-обл. „-”. При цьому висота потенційного бар’єру φ0 зменшиться на величину прикладеної напруги. Рівні Фермі тепер розійдуться на величину прикладеної напруги, ширина р-n переходу теж зміниться.

-- Ширина р-n переходу.

Висота потенційного бар’єру при прямому зміщенні призведе до виникнення в n-області нерівноважних носіїв заряду, дірок Δр. Т.ч. одночасно з появою в n-області деякої кількості дірок в ній виникає така ж кількість електронів, ця кількість е- для компенсації „+” заряду війде з зовнішнього кола для відновлення етапу електронейтральності. Отже у всіх частинках н/п буде виконуватися умова електронейтральності за виключенням приконтактної області. Δр=Δn. Це введення через р-n перехід нерівноважних носіїв заряду при прямому зміщенні n-переходу носить назву – інжекції.

Концентрація дірок в n-області тепер буде р1=рn+Δp з другого боку р1=рре-(φ0-еV)/ kT=pneev/kT pn – рівноважні неосновні носії заряду.

Δр=рn(eev/kT-1) Тобто концентрація дірок в n-області збільшується по exp. Δn=np(eev/kT-1) З останніх виразів можна зробити висновки:

Якщо прикласти до переходу напругу в прямому напрямку, то концентрація нерівноважних носіїв з збільшенням позитивної напруги швидко зростає по exp, а це приведе до швидкого зростання струму через р-n перехід. Це був прямолінійний напрямок.

р-n перехід в зворотньому напрямку:

Це приведе до того ,що концентрація основних носіїв заряду у приконтактних областях зменшиться, порівняно з рівноважним станом. Екстракція – це виведення носіїв заряду із області н/п де вони є неосновними через виведення через р-n перехід при зворотньому зміщенні. Оскільки струм через перехід при зміні полярності зовнішньої напруги змінюється в сотні, мільйони разів, то в такому разі можна говорити про напрямок пропускання і запирання тобто р-n перехід є вентильним пристроєм.

8. ВАХ p-n переходу.

Рис. Хар-ка р-n перехода (вольтамперная);

Свойства электронно-дырочного перехода наглядно иллюстри­руются его вольтамперной характеристикой (рис.), показыва­ющей зависимость тока через р-п переход от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитическим выражением вольт­амперной характеристики р-п перехода является формула:

где I₀—обратный ток насыщения р-п перехода, определяемый физическими свойствами полупроводникового материала;

Формула пригодна как для прямых, так и обратных на­пряжений (прямое напряжение положительное, обратное—отри­цательное). Поэтому при увеличении обратного напряжения величина еxp(-eU/kT) становится значительно меньше единицы и ею можно пренебречь. При этом I=I_обр - I₀ т. е. - обратный ток равен току насыщения и в оп­ределенных пределах остается величиной практически постоянной.

Дальнейшее увеличение обратного напряжения приводит к про­бою р-п перехода, при котором обратный ток резко увеличивается.

Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии (зинеровский пробой) и под действием ударной ионизации атомов полупроводника (лавинный пробой).

Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках аналогична электростатической эмиссии электронов из металла. Сущность этого явления заключается в том, что под действием сильного электрического поля электроны могут освободиться из ковалентных связей и получить энергию, достаточную для преодо­ления высокого потенциального барьера в области р-п перехода.

Тепловой пробой р-п перехода происходит вследствие вырыва­ния валентных электронов из связей в атомах при тепловых колеба­ниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар элект­рон—дырка приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и к росту обратного тока. Увеличение тока, в свою очередь, приводит к дальнейшему повышению температуры. Процесс нарастает лавинообразно.