6. Электронно-дырочный переход и его свойства

Электронно-дырочным переходом называют тонкий слой между двумя частями полупроводникового кристалла, в котором одна часть имеет электронную, а другая – дырочную электропроводность. Техно­логический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного веще­ства в другое (диффузионные диоды), эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого (эпитаксиальные диоды) и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом – не пропускает.

Схема электронно-дырочного перехода показана на рис.1. Одна часть этого перехода легирована донорной примесью и имеет электронную проводимость (N-область). Другая часть, легированная акцепторной примесью, имеет дырочную проводимость (P-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой существенно различаются. Кроме того, в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей.

Рис.1. Электронно-дырочный переход (а) и распреде­ления

объемного заряда в нем (б)

Электроны в N-области стремятся проникнуть в P-область, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из P-области перемещаются в N-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Электроны и дырки, перейдя через границу раздела, оставляют после себя противоположные заряды, которые препятствуют дальнейшему прохождению диффузионного тока. В результате на границе устанавливается динамическое равновесие и при замыкании N- и P-областей ток не протекает. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис.1б. При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле Е_СОБСТВ, направление которого показано на рис.1б. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным.

Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов N- и P-областей. Контактная разность потенциалов в свою очередь, зависит от концентрации примесей в этих областях:

,

где - тепловой потенциал,

N_nи P_P - концентрация электронов и дырок в N- и P-облас­тях,

N_i - концентрация носителей в нелегированном полупроводнике.

Контактная разность потенциалов для германия имеет значение , а для кремния - . Высоту потенциального барьера можно изменять приложением внешнего напряжения к p-n-переходу. Если внешнее напряжение создает в p-n-переходе поле, которое совпадает с внутренним, то высота потенциального барьера увеличива­ется, при обратной полярности приложенного напряжения высота по­тенциального барьера уменьшается. Если приложенное напряжение равно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер исчезает полностью.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода представляет собой зависимость тока через переход при изменении на нем полярности и значения приложенного напряжения. Если приложенное напряжение снижает потенциальный барьер, то оно называется прямым, а если повышает его – обратным. Приложение прямого и обратного напряжения к p-n-переходу показано на рис.2.

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 уже являются основными носителями. Так как концентрация основных носителей существенно превышает концентрацию неосновных, то появление незначительного дополнительного количества основных носителей практически не изменит равновесного состояния полупроводника. Таким образом, обратный ток зависит только от количества неосновных носителей, появляющихся на границе области объемного заряда. Внешнее приложенное напряжение определяет скорость перемещения этих носителей из

Рис.2. Приложение обратного (а) и прямого (б) напряжения

к n-p-переходу

одной области в другую, но не числа 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 и при изменении обратного напряжения на переходе. Этот ток называется током насыщения и обозначается I_обр=I_s

При поступлении прямого напряжения на p-n-переход появляется диффузионный ток, вызванный диффузией основных носителей, преодолевающих потенциальный барьер. Пройдя p-n-переход, эти носители попадают в область полупроводника, для которой они являются не основными носителями. Концентрация неосновных носителей при этом может существенно возрасти по сравнению с равновесной концентрацией. Такое явление носит название инжекции носителей.

Таким образом, при протекании прямого тока через переход из электронной области в дырочную будет происходить инжекция электронов, а из дырочной области будет происходить инжекция дырок. Диффузионный ток I_диф зависит от высоты потенциального барьера и по мере его снижения увеличивается экспоненциально:

,

где - напряжение на p-n-переходе.

Прямой ток, проходящий через p-n-переход при прямом смеще­нии, равен:

.

Это уравнение называется уравнением Эберса-Молла, а соответ­ствующая ему вольтамперная характеристика p-n-перехода приведена на рис.3.

Рис.3. Вольтамперная характеристика p-n-перехода

Дифференциальное сопротивление p-n-перехода можно опреде­лить по формуле:

.

Предельное значение напряжения на p-n-переходе при прямом смещении не может превышать контактной разности потенциалов j_К. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n-перехода. Пробой p-n-перехода возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей и называется лавинным пробоем. При лавинном пробое p-n-пе­рехода ток через переход неограниченно возрастает при неизменном напряжении на нем, как показано на рис.3.

Полупроводниковый p-n-переход характеризуется емкостью перехода, которая в общем случае определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению напряжения на нем, т.е. .

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. Емкость перехода при обратном напряжении называется барьерной С_бар и определяется по формуле :

,

где j_К - контактная разность потенциалов,

- обратное напряжение на переходе,

- значение барьерной емкости при U=0, которое зависит от площади p-n-перехода и свойств полупроводникового кристалла.

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на p-n-переходе, однако она шунтируется низким дифференциальным сопротивлением r_диф. При прямом смещении p-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость С_диф, которая зависит от значения прямого тока и времени жизни неоснов­ных носителей t_р.

.

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей.