Контакт двух полупроводников (p-n переход).

При контакте двух полупроводников с различными примесями (основа одинакова, например, кремний) образуется потенциальный барьер из-за

- различия уровней Ферми для n- и p- полупроводников,

- диффузии при разности концентраций носителей заряда,

- электростатического поля на границе раздела.

При объединении n- и p- полупроводников уровни Ферми (F) выравниваются, а энергетические уровни дна зоны проводимости Ес и потолка валентной зоны Еv изгибаются. В n- p-переходе формируется область, вне которой свойства n- и p- полупроводников не изменяются. Область с изменениями принято называть шириной перехода l₀. Важным этот параметр становиться для высокочастотных полупроводниковых приборов.

Неодинаковость концентраций основных и неосновных одноименных носителей заряда в двух частях n- p-перехода вызывает диффузию основных в сопряженную часть n- p-перехода: электронов – в p-полупроводник и дырок – в n –полупроводник. Происходит частичная электронно-дырочная рекомбинация. В результате область обедняется свободными носителями заряда, сопротивление повышается. Нарушается электронейтральность. Возникает электростатическое поле Е с положительным потенциалом в n –полупроводнике и, следовательно, дрейфовый ток, направленный против диффузионного тока.

Рис. Зонная диаграмма n- p перехода, иллюстрирующая баланс токов в равновесном состоянии.

В равновесном состоянии в n- p переходе существуют четыре компоненты тока - две диффузионные и две дрейфовые. В условиях термодинамического равновесия (V_G = 0) суммарный ток в n- p переходе равен нулю, при этом диффузионные и дрейфовые компоненты попарно уравновешивают друг друга:

J_E – дрейфовый ток, J_D – диффузионный ток, J_pE – дрейфовый поток дырок, J_pD – диффузионный поток дырок, J_nE – дрейфовый поток электронов, J_nD – диффузионный поток электронов. По истечении переходного процесса устанавливается потенциальный барьер высотой:

V_bi = k T ln (n_no/ n_po) /q.

где k - постоянная Больцмана, T – температура, n_no - концентрация основных носителей,

n_po - концентрация неосновных носителей.

Внешнее напряжение деформирует потенциальный барьер: положительное напряжение со стороны p-полупроводника барьер уменьшает, а отрицательное - увеличивает. При неравновесном состоянии если приложено прямое внешнее напряжение, то доминируют диффузионные компоненты, если приложено обратное напряжение, то доминируют дрейфовые компоненты.

Рис. Зонная диаграмма n- p перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов в неравновесном состоянии: а) прямое смещение; б) обратное смещение

При прямом смещении положительный потенциал подан на p-область. Дырки устремляются навстречу электронам, которые преодолевают пониженный потенциальный барьер и попадают в p-область. При этом происходит рекомбинация электронов и дырок. Вследствие этого «чужие» носители заряда не проникают глубь полупроводников.

Рис. Вольтамперная характеристика n- p -перехода.

В области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электростатического поля и понижение потенциального барьера. Малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера. Сопротивление контакта еще велико. Ток через контакт незначительный. Участок 0A прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон. Для одного и того же полупроводникового материала основное отличие ВАХ контакта "металл-полупроводник" и n- p -перехода заключается в том, что высота потенциального барьера n- p -перехода обычно больше, чем у барьера Шоттки и точке А соответствует большее напряжение. Напряжение смещения, определяющее рабочую точку на ВАХ, меньше для барьера Шоттки.

При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера. Ток резко возрастает на участке AB ВАХ. ВАХ p-n-перехода представляет собой нелинейную зависимость между током и напряжением. В общем случае к n- p –переходу может быть приложено как постоянное напряжение, определяющее рабочую точку на характеристике, так и переменное напряжение, амплитуда которого определяет перемещение рабочей точки по характеристике. Если амплитуда переменного напряжения мала, перемещение рабочей точки не выходит за пределы малого участка характеристики и его можно заменить прямой линией. Тогда между малыми амплитудами тока и напряжения (или между малыми приращениями тока и напряжения i и u) существует линейная связь. В этом случае p-n-переход на переменном токе характеризуют дифференциальным сопротивлением r_pn:

Дифференциальное сопротивление можно определить графически по характеристике. При прямом напряжении r_pn мало и составляет единицы - сотни Ом, а при обратном напряжении - велико и составляет сотни и тысячи килоОм.

При обратном смещении n- p -перехода основные носители заряда оттягиваются от p-n-перехода, высота потенциального барьера для них повышается, поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении. При обратном напряжении через n- p переход протекает тепловой ток i₀ , значение которого не зависит от величины приложенного обратного напряжения.

При достаточно больших обратных напряжениях в n- p -переходе может произойти пробой. Пробоем называется неограниченное увеличение тока при постоянном или даже уменьшающемся напряжении на n- p -переходе.

Различают три вида пробоя: лавинный, туннельный, тепловой.

Лавинный пробой связан с возникновением ударной ионизации атомов полупроводника в области объемного заряда при высокой напряженности  электрического поля. При больших обратных напряжениях процесс ударной ионизации лавинообразно нарастает, что приводит к увеличению обратного тока.

Туннельный пробой связан с туннельными переходами электронов сквозь узкий и высокий потенциальный барьер. Такой пробой возникает в p-n-переходах на базе сильнолегированных областей n- и p-типа.

Лавинный и туннельный пробои обратимы, то есть при включении в цепь p-n-перехода ограничивающего ток сопротивления эти виды пробоя не приводят к разрушению n- p -перехода.

Тепловой пробой наступает при условии, когда выделяемая в n- p -переходе мощность оказывается больше, чем отводимая. В этом случае  температура n- p -перехода лавинообразно возрастает, что в конечном счете приводит к необратимому разрушению n-p -перехода. Чтобы предотвратить тепловой пробой, необходимо улучшать теплоотвод  от n- p -перехода.

Туннельный диод.

Туннельным называют полупроводниковый диод на основе «p⁺-n⁺ перехода» с сильнолегированными областями (вырожденными полупроводниками), на прямом участке ВАХ которого наблюдается N-образная зависимость тока от напряжения.

Рис. ВАХ туннельного диода при прямом смещении.

Вырожденным полупроводникам характерно перекрытие зон p⁺- и n⁺ перехода. В полупроводнике n⁺ типа все состояния в зоне проводимости вплоть до уровня Ферми заняты электронами, а в полупроводнике p⁺-типа - дырками. При малой ширине такого перехода повышает вероятность туннелирования через потенциальный барьер электронов из зоны проводимости n –слоя в валентную зону р-слоя и наоборот. Геометрическая ширина p⁺-n⁺ перехода оказывается сравнима с дебройлевской длиной волны электрона. (Явление туннелирования обладает квантово – механический характером: электрон с энергией, меньшей высоты потенциального барьера, может проникнуть через барьер.)

Рис. Зонная диаграмма p⁺-n⁺ перехода, образованного двумя вырожденными полупроводниками, в состоянии термодинамического равновесия.

При обратном напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из валентной зоны на свободные места в зоне проводимости. Поскольку концентрация электронов и число мест велики, то туннельный ток резко возрастает с ростом обратного напряжения. Наличие обратного тока резко отличает туннельный диод от обычного выпрямительного диода.

При прямом напряжении ток в диоде обусловлен туннельным переходом электронов из зоны проводимости на свободные места в валентной зоне. Поскольку туннельные переходы происходят без рассеяния, то есть с сохранением энергии туннелирующей частицы, то на зонной диаграмме эти процессы будут отражены прямыми горизонтальными линиями.

Рис. Зонные диаграммы туннельного диода при прямом смещении: а) участок 1; б) участок 2; в) участок 3.

На участке 1 при небольшом прямом напряжении напротив электронов зоны проводимости начинают появляться свободные места в валентной зоне при той же самой энергии. По мере роста напряжения число свободных мест возрастает и ток растет с ростом напряжения. Туннельный ток достигает максимума, когда все свободные места в валентной зоне оказываются по энергии напротив энергетических уровней, занятых электронами в зоне проводимости (участок 1). Затем, по мере роста прямого напряжения, число этих свободных мест начинает уменьшаться, поскольку по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости оказываются состояния в запрещенной зоне (энергетические уровни в идеальных полупроводниках в запрещенной зоне отсутствуют). На участке 2 туннельный ток уменьшается с ростом напряжения до минимума, когда запрещенная зона p⁺ полупроводника будет находиться по энергии напротив уровней, занятых электронами в зоне проводимости. При дальнейшем росте прямого напряжения появляется компонента обычного диффузионного тока p-n перехода.

Участок 2 - это участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Этот участок используется для усиления радиочастотных сигналов. Туннельный диод имеет высокие значения максимальной граничной частоты: f_max ~ 10⁹ Гц, поскольку времена процессов при туннелировании составляют наносекунды, то есть τ_min ~ 10^-9 c. По этой причине туннельные диоды используются в СВЧ-технике для генераторов и усилителей.

Разновидностью туннельного диода является обращенный диод, у которого туннельный эффект имеет место только в обратной ветви ВАХ . Это достигается немного меньшей концентрацией примеси по сравнению с обычным туннельным диодом. Для этого степень легирования p-n-перехода снижена ровно на столько, чтобы края энергетических зон совпали при нулевом смещении, т. е. потолок ВЗ p-стороны и дно ЗП n-стороны должны выровняться, но при нулевом смещении. Вследствие этого при подаче прямого смещения ток оказывается очень малым, так как эффект туннелирования не наблюдается. Однако, при обратном смещении возникает значительный туннельный ток, который для различных типов находится в диапазоне 0,01–0,5 мА. Время переключения их составляет 0,5–1 нс. Основное применение обращенных диодов – детекторы малых сигналов и ключевые устройства для импульсных сигналов малой амплитуды. Рис. Вольтамперная характеристика обращенного диода Рис. Вольтамперные характеристики обращенных диодов.