2.3. Электронно-дырочный переход
Однородные полупроводники и однородные полупроводниковые слои находят весьма узкое применение и используются только в виде различного рода резисторов. Основные элементы интегральных микросхем и большая часть дискретных полупроводниковых приборов представляет собой неоднородные структуры.
Большая часть полупроводниковых приборов работает на основе явлений, происходящих в области контакта твердых тел. На практике используются контакты: полупроводник–полупроводник, полупроводник–металл, металл–диэлектрик–полупроводник.
Переход между двумя областями полупроводника с разнотипной проводимостью, называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.
P–n переходы получаются вплавлением или диффузией соответствующих примесей в пластинки монокристалла полупроводника, а также выращиванием p–n перехода из расплава полупроводника с регулируемым количеством примесей. В зависимости от способа изготовления p–n переходы бывают сплавными, диффузионными и др.
Переходы между двумя областями с различной концентрацией примесей одного типа называют электронно–электронными (n+–n переход) или дырочно–дырочным (p+–p), знак «+» означает повышенную концентрацию примесей по сравнению со вторым слоем.
Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называют гетеропереходами. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такой электрический переход называют переходом металл–полупроводник. Электрические переходы металл–полупроводник формируются вакуумным напылением тонкой металлической пленки на очищенную поверхность полупроводника.
Концентрации
основных носителей заряда в p–n переходе
могут быть равны или значительно
различаться. Электронно–дырочный
переход, у которого
называется симметричным.
Если
концентрация основных носителей заряда
в областях различны
или
и отличаются на два–три порядка, то
p–n переходы
называют несимметричными. Несимметричные
переходы на практике используются чаще,
чем симметричные.
В зависимости от характера распределения примесей различают две разновидности переходов: резкий (ступенчатый) и плавный. В резком переходе концентрации примесей на границе раздела областей изменяются на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной, а в плавном – на расстоянии, значительно большем диффузионной длины.
Физические процессы в переходах лежат в основе принципа действия большинства полупроводниковых приборов.
2.4. Физические процессы в p–n переходе
Р
ассмотрим
физические процессы в плоском p–n переходе,
находящемся в равновесном состоянии,
т.е. при нулевом внешнем напряжении на
переходе (рис. 2.4,а)
и при условии, что:
1. На границе раздела p– и n–областей отсутствуют механические дефекты и включения других химических материалов.
2. При
комнатной температуре все атомы примеси
ионизированы, т.е.
,
.
3. На границе p–n перехода тип примеси резко изменяется.
Поскольку
концентрация электронов в n–области
намного больше концентрации электронов
в p–области,
а концентрация дырок в p–области
намного больше концентрации дырок в
n–области
,
,
как показано на рис. 2.4,б,
то на границе раздела полупроводников
возникает градиент (перепад) концентрации
подвижных носителей заряда (дырок и
электронов)
.
Под действием градиента концентрации заряды будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией. Направленное движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называют диффузионным движением. Электроны под действием диффузии перемещаются из p–области в n–область. Это движение зарядов (основных носителей) образует диффузионный ток p–n перехода, содержащий две составляющие: электронную и дырочную, плотность которых определяется из соотношений
, (2.5)
, (2.6)
где 
–
градиенты концентраций электронов и
дырок;
и
–
коэффициенты диффузий электронов и
дырок;
q – заряд электрона.
Коэффициент диффузии показывает количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к выбранному направлению, при величине градиента концентрации в этом направлении, равном единице.
В результате протекания диффузионного тока граничный слой обедняется подвижными носителями заряда. В приконтактной области n–типа появляется нескомпенсированный малоподвижный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в p–области – отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.
Таким образом на границе p– и n–областей возникает двойной слой объемного пространственного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля, напряженность которого равна E. Это поле препятствует дальнейшему протеканию диффузионного тока (тока основных носителей). Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью (в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда), то он называется запирающим слоем или областью объемного заряда.
В
n–
и p–областях
полупроводника, кроме основных носителей,
существуют неосновные носители: дырки
в n–области,
а электроны в p–области.
Неосновные носители совершают тепловое
движение (дрейф) и перемещаются к
запирающему слою p–n перехода.
Их перемещение характеризуется
подвижностью .
Подвижность равна средней скорости
,
приобретаемой носителями заряда в
направлении действия электрического
поля с напряженностью E=1 B/м
. (2.7)
Поле p–n перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны (неосновные носители p–области), подойдя к переходу, подхватываются электрическим полем и перебрасываются в n – область, а дырки n – области в p – область. Дрейф неосновных носителей вызывает появление электронной и дырочной составляющих тока дрейфа, плотность которых определяется из соотношений:
, (2.8)
. (2.9)
А
полная плотность тока дрейфа, создаваемая
неосновными носителями, называется
тепловым током
и равна:
. (2.10)
Если
сравнивать выражение (2.10) с законом Ома
,
то удельная электропроводность
полупроводника определяется соотношением
. (2.11)
При комнатной температуре некоторое количество основных носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления поля запирающего слоя, и протекает незначительный диффузионный ток. Этот ток уравновешивается дрейфовым током. Поэтому при отсутствии внешнего поля в p–n переходе устанавливается термодинамическое равновесие токов. Ток диффузии уравновешивается (компенсируется) дрейфовым током
. (2.12)
Неравномерность концентрации носителей зарядов в полупроводнике возникает при воздействии внешних управляющих факторов: воздействия электрического поля, нагревания, освещения и др. Равновесие концентрации электронов и дырок в полупроводнике нарушается, и появляется дополнительная неравновесная концентрация носителей заряда. После прекращения внешнего воздействия происходит процесс рекомбинации электронов и дырок. Полупроводник переходит в равновесное состояние.