Тема 1.2: Контактные явления в полупроводниках.

1.2.1 Общая характеристика р-n перехода.

1.2.2 Режимы обратного и прямого включения р-n перехода.

1 .2.3 Вольт-амперная характеристика р-n перехода.

1.2.4 Температурные свойства р-n перехода.

1.2.5 Частотные свойства р-n перехода.

1.2.1 Общая характеристика р-n перехода.

Электронно-дырочным или р-n переходом называют тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник Р-типа, другая N-типа. Такие переходы получают вплавлением соответствующих примесей в пластинки вырезанные из монокристалла полупроводника. Если концентрации основных носителей в р и n областях будут равны, то p-n переход называют симметричным, если не равны, то переход называют несимметричным. На практике чаще используют несимметричные p-n переходы. На рис. 8а) представлен разряд р-n структуры и при этом предполагается, что концентрация акцепторной примеси в Р-области больше концентрации донорной примеси в N области, а следовательно и концентрация дырок в р области будет больше концентрации свободных электронов в N области (рис. 8в). В результате неравновесной концентрации в PN структуре возникает диффузия основных носителей через границу р-n перехода: дырки из р области стремятся в n область, а электроны из n области в р область. В результате через переход возникают дырочный (І_{р дф}) и электронный (І_{n дф}) диффузионные токи, составляющие полный ток диффузии в р-n переходе І_дф = І_{р дф} + І_{n дф}. Диффузия электронов и дырок через р-n переход сопровождается перераспределением зарядов: после ухода электронов из части N области примыкающей к границе раздела, в ней остаются положительные ионы донорной примеси. Аналогично – дырки диффундировавшие из р в n область, оставят в части р области примыкающей к границе раздела отрицательные ионы акцепторной примеси. Следовательно в результате диффузии основных носителей приконтактные области р-n перехода обедняются подвижными носителями, и в них возникает два слоя подвижных разноименных зарядов, образованных ионами акцепторов и доноров. Двойной заряженный слой с пониженной концентрацией основных носителей называется запирающим или обедненным слоем р-n перехода (на рис. 8б это слой толщиной L). Этот слой является основой р-n перехода. Нескомпенсированные заряды запирающего слоя создают внутреннее электрическое поле р-n перехода Е_вн, направленное от n к р области. Это поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей тока из одного полупроводника в другой, т.е. образуется потенциальный барьер с разностью потенциалов (рис. 8г). Чем больше U_п.б. тем труднее преодолеть потенциальный барьер основным носителям тока. Для неосновных носителей тока (дырок в полупроводнике n-типа и электронов в полупроводнике р-типа) внутреннее электрическое поле является ускоряющим. Под действием Е_вн дырки из n-области дрейфуют в р-область, создавая дрейфовый ток I_р.др., а электроны дрейфуют из р области в n область, создавая ток I_n.др, направленный в ту же сторону, что и ток I_р.др. Полный ток дрейфа в р-n переходе I_др = I_р.др + I_n.др будет противоположен по направлению току диффузии I_дф основных носителей. В равновесном состоянии диффузионные и дрейфовые токи равны и результирующий ток через р-n переход отсутствует

I = I_дф - I_др = 0.

1.2.2 Режимы обратного и прямого включения р-n перехода

Различают два режима работы р-n перехода с внешним напряжением: режим прямого и обратного включения (смещения).

В режиме прямого включения, внешний источник напряжения U_пр соединяют положительным полюсом с выводом от р области, а отрицательным с выводом от n-области (рис 9).

Рис 9

При этом в полупроводнике создается электрическое поле напряженностью Е_пр, направленное навстречу полю Е_вн и уменьшающее напряженность последнего. Поэтому дырки и электроны основных носителей тока двигаясь навстречу друг другу будут уменьшать потенциальный барьер U_пб, толщину запирающего слоя (L₁<L) и понижать сопротивление запирающего слоя. Появится ток основных носителей, называемый прямым I_пр.

В режиме обратного смещения полярность внешнего источника U_обр изменяют на противоположную (рис. 10).

Рис. 10

Электрическое поле Е_обр, создаваемое внешним источником тока, будет совпадать по направлению с внутренним полем р-n перехода Е_вн и следовательно усиливать его. Под действием результирующего электрического поля основные носители тока удаляются от границы раздела полупроводников, что увеличивает потенциальный барьер U_пб, ширину запирающего слоя (L₂>L), и повышает сопротивление запирающего слоя. При этом уменьшается до нуля диффузионный ток основных носителей. Диффузионный ток неосновных носителей, называемый в данном случае обратным I_обр, почти не изменяет своей величины, т.к. концентрация неосновных носителей в полупроводниках незначительна.

1.2.3 Вольт-амперная характеристика р-n перехода.

ВАХ р-n перехода показывает зависимость тока, протекающего через р-n переход от величины и полярности приложенного напряжения и соответствует выражению

(1)

где I₀ – ток насыщения; e-2,718 основание натурального логарифма. Из выражения (1) видно, что при , т.е. ток через р-n переход с увеличением напряжения резко возрастает. При отрицательных напряжениях начиная с U = -0,05в, величина и ею можно пренебречь, тогда обратный ток равен току насыщения и в определенных границах обратного напряжения остается практически постоянным. Значение I₀ обычно составляет несколько микроампер. ВАХ реального р-n перехода (рис. 11) совпадает с кривой, соответствующей выражению (1) до значений обратного напряжения, близких к U_обр.max. Из ВАХ р-n перехода на рис. 11 видно, что р-n переход обладает свойством односторонней проводимости, т.е. ток проходит через р-n переход только под действием приложенного прямого напряжения, и практически не проходит под действием приложенного обратного напряжения.

П ри дальнейшем увеличении обратного напряжения, приложенного к р-n переходу свыше U_{обр max} наступает пробой р-n перехода, при котором обратный ток резко возрастает. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый). При электрическом пробое, под действием сильного электрического поля электроны освобождаются от ковалентных связей и получают энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера. Сталкиваясь на своем пути с нейтральными атомами они ионизируют их и появляются новые электроны и дырки. Этот процесс носит лавинообразный характер и приводит к резкому увеличению I_обр.

Если не ограничить обратный ток (например включив последовательно с рn переходом резистор) (рис.12), то электрический пробой перейдет в тепловой, в котором за счет тепловой энергии произойдет энергичная генерция пар «электрон-дырка», приводящая к резкому увеличению I_обр. Увеличение обратного тока приводит к дальнейшему увеличению температуры и еще большей генерации пар (электрон-дырка). Процесс нарастает лавинообразно и приводит к выходу рn -перехода со строя.

1.2.4 Температурные свойства р-n перехода.

Повышение температуры увеличивает собственную проводимость полупроводника и поэтому особенно сильно влияет на значение обратного тока р-n перехода, определяемого этим видом приводимости. Для германиевых и кремниевых р-n переходов обратный ток насыщения возрастает вдвое при повышении температуры на каждые 10⁰. Прямой ток р-n перехода меньше зависит от температуры. Он определяется в основном количеством носителей примесной проводимости, которая зависит от концентрации примесей и с изменением температуры практически не меняется. Влияние температуры на ВАХ р-n перехода показано на рис. 13.

Верхний предел рабочих температур для германиевых приборов 70-90⁰, а кремниевых 120-150⁰.

1.2.5 Частотные свойства р-n перехода

. Частотные свойства р-n перехода определяются электрической емкостью между областями полупроводника с различным типом проводимости. При обратном напряжении р-n структура подобна конденсатору с пластинами в виде р и n областей, разделенных диэлектриком (переходом почти свободным от носителей)(рис14).

Эту емкость называют барьерной и определяют по формуле:

; где S – площадь рn-перехода; – толщина рn-перехода; – диэлектрическая проницаемость рn-перехода.

При прямом напряжении емкость рn структуры определяется диффузионной емкостью. Она обусловлена инерцией подвижных носителей, которые диффундируют через пониженный потенциальный барьер и не успевая рекомбинировать накапливаются: дырки в N области, а электроны в Р области (рис. 15).

Она определяется как: , где Q_диф – заряд, накопленный в рn структуре при приложенном напряжении U_пр. С_диф мало влияет на работу рn- перехода, т.к. зашунтировано относительно малым прямым сопротивлением рn- перехода.

На рис.16 изображена эквивалентная схема рn-перехода. r – сопротивление толщины полупроводников и выводов от них. r₁ – сопротивление запирающего слоя, зависящие от величины и полярности приложенного напряжения. емкость рn-перехода. При работе рn-перехода на больших частотах емкостное сопротивление уменьшается, шунтируя запирающий слой. Поэтому несмотря на большое значение r₁ через емкость С_вн проходит ток, как при U_{пр max} так и при U_обр, в результате чего рn-переход теряет свойство односторонней проводимости. Для устранения этого явления изготавливают рn-переход с малой площадью рn-перехода, обладающие малой емкостью.