1.3. Властивості електронно-діркового переходу.

1.3.1. Формування електронно-діркового переходу.

Н айбільше розповсюдження в напівпровідниковій техніці і мікроелектроніці отримали контакти типу напівпровідник-напівпровідник, а фізичні явища, що відбуваються в області електричного контакту напівпровідників з різною провідністю, лежать в основі роботи сучасних напівпровідникових приладів.

Електричний перехід між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність n-типу, а інша р-типу, називають електронно-дірковим, або n-р переходом (рис. 1.6).

Електронно-дірковий перехід не можна створити простим дотиком пластин напівпровідника n- і р-типу, оскільки при цьому неминучий проміжний шар поверхневих забруднень, окислів або повітря. Ці переходи отримують вплавленням або дифузією відповідних домішок в пластинки монокристалу напівпровідника, а також шляхом вирощування р-n переходу із розплаву напівпровідника з регульованою кількістю домішок.

В залежності від способу виготовлення n-p переходи бувають сплавними, дифузійними та ін.

Якщо на кристал кремнію, обробленого миш’яком, наплавити шматок індію, то частина атомів індію внаслідок дифузії проникне в товщу кристалу і в ньому утворяться області з різним типом провідності.

Внаслідок різної концентрації електронів в шарах p і n буде відбуватись їх дифузія з області n в область p. Аналогічно буде відбуватись дифузія дірок з області p в область n (див. рис. 1.6).

Через дифузію основних носіїв порушується електрична нейтральність в напівпровіднику: область p здобуває від’ємний, а область n – позитивний заряд. Між областями виникає електричне поле з різницею потенціалів U₀ близько 0,35 В у германієвому і 0,65 В у кремнієвому напівпровіднику. Ця різниця потенціалів – потенціальний бар’єр – перешкоджає дифузії основних носіїв, але для неосновних носіїв утворене поле є прискорюючим, внаслідок чого виникає рух неосновних носіїв – електронів з p–області в n–область і рух дірок в протилежному напрямку.

Рух носіїв, зумовлений різницею концентрацій, називається дифузійним струмом, а рух носіїв під дією електричного поля – дрейфовим струмом. Між дрейфовим і дифузійним струмами при певному потенціальному бар’єрі існує динамічна рівновага, так що сумарний струм через n-p перехід дорівнює нулю.

Ці явища проходять при утворені n-p переходу. Розглянемо тепер, що відбуваються в n-p переході при підведені до нього зовнішнього електричного поля.

1.3.2. Властивості n-p переходу при підключенні зовнішньої напруги

При підключені зовнішнього джерела «+» до шару n, а «–» до шару p (таке включення називається зворотним) зовнішня напруга буде діяти згідно з потенціальним бар’єром. Оскільки опір безпосередньо області переходу набагато більший іншої частини напівпровідника, то саме там зосереджується зовнішня напруга і потенціальний бар’єр збільшується на її значення.

В цьому випадку дифузійний перехід носіїв ще більш утруднюється і навіть при відносно невеликій зовнішній напрузі дифузійний струм дорівнює нулю. Під дією електричного поля, створеного зовнішнім джерелом, основні носії будуть відтягуватись від приконтактних шарів в глибину напівпровідника. В результаті ширина n-p переходу збільшиться (цей ефект використовується у варикапах, де напівпровідник з n-p переходом розглядається як конденсатор з керованою напругою ємністю, обкладинками якого є p- і n-області кристалу, розділені переходом).

З начення же дрейфового струму від зовнішньої напруги не залежить і обмежується лише швидкістю генерації неосновних носіїв, яка визначається температурою. Отже, неосновні носії будуть втягуватись полем в область n-p переходу. Це явище називається екстракцією.

На рис. 1.7 показана типова вольт-амперна характеристика n-p переходу (звернути увагу на масштаби на осях !!!).

При зворотному включені (ліва частина графіка на рис. 1.7) струм через перехід з’являється при подачі напруги і, досягнувши значення струму насичення, зумовленого дрейфом неосновних носіїв, залишається незмінним ( –0,2 mA). Однак при більших значеннях зворотної напруги рухомі електрони здобувають більші швидкості і, вдаряючись об атоми, викликають ударну іонізацію. Крім того, під дією сильного електричного поля частина електронів з валентної зони переходить в зону провідності. Ці процеси посилюються лавиноподібно, що призводить до різкого збільшення струму через n-p перехід – спочатку його електричного оборотного пробою. Отже, електричний пробій відбувається в результаті внутрішньої електростатичної емісії і також під дією ударної іонізації атомів напівпровідника (лавинний пробій). Цей ефект використовується в стабілітронах.

Внаслідок збільшення струму зростає температура, енергія електронів збільшується внаслідок теплових коливань кристалічної решітки, що в свою чергу полегшує їх перехід з валентної зони в зону провідності, їх виривання із міжатомних зв’язків. Виникає так званий тепловий пробій (необоротний пробій внаслідок зміни структури кристалу). Теплова генерація пар електрон-дірка призводить до збільшення концентрації неосновних носіїв заряду і до зростання зворотного струму. Збільшення струму, в свою чергу, призводить до подальшого збільшення температури. Процес зростає лавиноподібно. Якщо не включити в коло n-p переходу обмежувальний опір, напівпровідник може перегрітись і вийти з ладу.

При прямому включені («+» – до шару р, а «–» – до шару n) із підвищенням прямої напруги потенціальний бар’єр зменшується, а потім зовсім зникає. При U < E_бар поле вже є прискорюючим для основних носіїв і струм через перехід стрімко збільшується (права частина графіку на рис. 1.7). Носії заряду, що подолали потенціальний бар’єр потрапляють в область напівпровідника, для якої вони є неосновними.

Процес введення носіїв заряду через електронно-дірковий перехід при зменшені потенціального бар’єру в область напівпровідника, де ці носії заряду є неосновними, називається інжекцією (англ. inject – впорскувати, вводити).

Отже, n-p перехід має властивості вентиля – при прямому включенні опір його дуже малий і струм через n-p перехід проходить, а в зворотному – практично нескінчений і струм через n-p перехід не проходить.

N-p перехід може нормально працювати тільки в невеликому діапазоні температур. При дуже низьких температурах (< –60C) електрони донорних атомів не можуть здолати навіть ту вузеньку заборонену зону, яка відділяє їх від зони провідності основного напівпровідника, тому в ньому практично відсутні основні носії.

При високих температурах енергія електронів валентної зони основних атомів достатня для переходу в зону провідності, напівпровідник перетворюється в звичайний провідник, при цьому втрачаються його вентильні властивості і струм через перехід різко збільшується. В наслідок чого виникає подальшій розігрів напівпровідника. Процес лавиноподібно зростає, що призводить до розплавлення і виходу з ладу напівпровідникового пристрою.

Аналіз вольт-амперної характеристики n-p переходу дозволяє розглядати його як нелінійний елемент, опір якого змінюється в залежності від величини і полярності прикладеної напруги. При збільшені прямої напруги опір n-p переходу зменшується. Із зміною полярності і величини прикладеної напруги опір n-p переходу різко зростає. Отже, пряма (лінійна) залежність між напругою і струмом для n-p переходів не зберігається. Нелінійні властивості n-p переходів покладені в основу роботи напівпровідникових приладів, що використовуються для випрямлення змінного струму, обмеження амплітуди, перетворення частоти і т.д.