Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения. У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах. Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.
Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке. У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов. Так как электроны покинули область N-типа, та приобретает локальный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами теперь обеднен основными носителями, таким образом, он известен, как обедненная область . Эта область становится непроводящим материалом из собственного полупроводника. По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.
(a) Блоки полупроводников P и N типов при контакте не обладают пригодными для использования свойствами.
(b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.
Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток. Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве. Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.
На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется прямым смещением .
(a) Прямое смещение отталкивает носителей зарядов к переходу, где рекомбинация отражается на токе батареи.(b) Обратное смещение притягивает носителей зарядов к выводам батареи, подальше от перехода. Толщина обедненной области увеличивается. Устойчивый ток через батарею не протекает.
Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи. Положительный вывод батареи оттягивает от перехода основных носителей заряда в области N-типа, электронов. Отрицательный вывод оттягивает от перехода основных носителей в области P-типа, дырок. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. В ней отсутствует рекомбинация основных носителей; и таким образом, отсутствует и проводимость. Такое подключение батареи называется обратным смещением .
Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство. Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа. Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.
Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (N ot-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N -типа. Указывающая (P ointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P -типу.
(a) Прямое смещение PN-перехода(b) Соответствующее условное графическое обозначение диода
(c) График зависимости тока от напряжения кремниевого диода
Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение U пр является одной из характеристик полупроводников: 0,6-0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.
Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше. Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.
Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Эта утечка может быть объяснена теорией. Тепловая энергия создает несколько пар электрон-дырка, которые проводят ток утечки до рекомбинации. В реальной практике этот предсказуемый ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки обусловлена поверхностной проводимостью, связанной с отсутствием чистоты поверхности полупроводника. Обе составляющие тока утечки увеличиваются с ростом температуры, приближаясь к микроамперу для небольших кремниевых диодов.
Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.
Подведем итоги
P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.
Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.
Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.
Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.
Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.
- это область, которая разделяет поверхности электронной и дырочной проводимости в монокристалле.
Электронно-дырочный переход изготавливают в едином монокристалле, в котором получена достаточно резкая граница между областями электронной и дырочной проводимостей.
На рисунке изображены две граничащие области полупроводника, одна из которых содержит донорную примесь (область электронной, то есть n-проводимости), а другая акцепторную примесь (область дырочной проводимости, то есть p-проводимости). Чтобы понять как формируется тот или иной тип полупроводника, рекомендуем прочесть статью - Примесные полупроводники .
При отсутствии приложенного напряжения наблюдается диффузия основных носителей зарядов из одной области в другую. Так как электроны это основные носители заряда, и в области n их концентрация больше они диффундируют в p-область заряжая отрицательно приграничный слой этой области. Но уходя со своего места электроны создают вакантные места – дырки, тем самым заряжая приграничный слой n-области положительно. Таким образом, через достаточно короткий промежуток времени с обеих сторон поверхности раздела образуются противоположные по знаку пространственные заряды.
Электрическое поле, создаваемое пространственными зарядами, препятствует дальнейшей диффузии дырок и электронов. Возникает так называемый потенциальный барьер , высота которого характеризуется разностью потенциалов в пограничном слое.
Электронно-дырочный переход, во внешнем исполнении реализуется в виде полупроводникового диода .
Если к электронно-дырочному переходу приложить внешнее напряжение так, что к области с электронной проводимостью подключён отрицательный полюс источника, а к области с дырочной проводимостью – положительный, то направление напряжения внешнего источника будет противоположно по знаку электрическому полю p-n перехода, это вызовет увеличение тока через p-n переход. Возникнет прямой ток, который будет вызван движение основных носителей зарядов, в нашем случае это движение дырок из p области в n, и движение электронов из n области в p. Следует знать, что дырки движутся противоположно движению электронов, поэтому на самом деле, ток течет в одну сторону. Такое подключение называют прямым . На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в первом квандранте.
Но если изменить полярность приложенного к p-n переходу напряжения на противоположное, то электроны из пограничного слоя начнут движение от границы раздела к положительному полюсу источника, а дырки к отрицательному. Следовательно, свободные электроны и дырки будут отдаляться от пограничного слоя, создавая тем самым прослойку, в которой практически отсутствуют носители зарядов. В результате ток в p-n переходе снижается в десятки тысяч раз, его можно считать приближённо равным нулю. Возникает обратный ток , который образован не основными носителями заряда.Такое подключение называют обратным . На вольт-амперной характеристике такому подключению будет соответствовать часть графика в третьем квандранте.
Вольт-амперная характеристика
При прямом подключении электронно-дырочного перехода, ток возрастает с увеличением напряжения. При обратном подключении ток достигает значения I нас, называемое током насыщения. Если продолжать увеличивать напряжение при обратном включении, то может настать пробой диода. Это свойство также используется в различных стабилитронах и т.д.
Свойства p-n перехода широко применяются в электронике, а именно в диодах, транзисторах и других полупроводниках.
По способности проводить электрический ток твёрдые тела первоначально разделяли на проводники и диэлектрики. Позже было замечено, что некоторые вещества проводят электрический ток хуже, чем проводники, но и к диэлектрикам их тоже нельзя отнести. Их выделили в отдельную группу полупроводников. Характерные отличия полупроводников от проводников:
- Значительная зависимость проводимости полупроводников от температуры.
- Сильное влияние на проводимость полупроводников даже незначительного количества примесей.
- Влияние на их проводимость различных излучений (световых, радиационных и др.). По этим особенностям полупроводники ближе к диэлектрикам, чем к проводникам.
Для производства полупроводниковых приборов используются в основном германий, кремний, арсенид галлия. Германий является редким элементом, рассеянным в природе, кремний же наоборот очень распространён. Однако встречается не в чистом виде, а только в виде соединений с другими элементами, в основном с кислородом. Арсенид галлия – это соединение мышьяка с галлием. Его стали применять сравнительно недавно. По сравнению с германием и кремнием арсенид галлия меньше подвержен воздействию температуры и радиации.
Для понятия механизма работы полупроводниковых приборов нужно сначала ознакомиться с проводимостью в полупроводниках и механизмом образования p
-n переходов.Наиболее широко используются полупроводники германий и кремний. Они относятся к IV группе периодической системы Менделеева. На внешней оболочке атома германия (или кремния) находятся 4 валентных электрона. Каждый из них образует с соседними четырьмя атомами ковалентные связи. Они образуются двумя электронами, каждый из которых принадлежит одному из соседних атомов. Парноэлектронные связи очень устойчивы, поэтому каждая электронная пара прочно связана со своей атомной парой и не может свободно перемещаться в объёме полупроводника. Это справедливо для химически чистого полупроводника, находящегося при температуре близкой к 0 К
(абсолютный нуль). При повышении температуры атомы полупроводника начинают совершать тепловое колебательное движение. Энергия этого движения передаётся электронам, и для некоторых из них она оказывается достаточной, чтобы оторваться от своих атомов. Эти атомы превращаются в положительные ионы, а оторвавшиеся электроны могут свободно перемещаться, т.е. становятся носителями тока. Если говорить точнее, уход электрона приводит к частичной ионизации 2-х соседних атомов. Появляющийся при этом единичный положительный заряд следует относить не к тому или иному атому, а к нарушению парноэлектронной связи, оставленной электроном. Отсутствие электрона в связи называется дыркой. Дырка имеет положительный заряд равный по абсолютной величине заряду электрона. Дырка может быть занята одним из электронов соседней связи, при этом образуется дырка в соседней связи. Переход электрона из одной связи в другую соответствует перемещению дырки в обратном направлении. Практически удобнее рассматривать непрерывное движение положительного заряда, чем поочерёдное перемещение электронов из связи в связь. Проводимость, которая возникает в объёме полупроводника за счёт нарушения связей, называется собственной проводимостью . Различают два типа проводимости: n – типа и p - типа (от слов negative – отрицательный, positive – положительный). Проводимость n – типа называют электронной, а p – типа – дырочной.
Отметим, что нарушение валентных связей может происходить не только за счёт тепловой энергии, но и за счёт энергии света или энергии электрического поля.
Всё, что мы рассмотрели, относится к чистым полупроводникам, т.е. к полупроводникам без примесей. Введение же примесей изменяет электрические свойства полупроводника. Атомы примеси в кристаллической решётке занимают места основных атомов и образуют парноэлектронные связи с соседними атомами. Если в структуру чистого полупроводника (германия) ввести атом вещества, относящегося к V группе периодической системы элементов (например, атом мышьяка), то этот атом также будет образовывать связи с соседними атомами германия. Но атомы V группы имеют на внешней оболочке 5 валентных электронов. Четыре из них образуют устойчивые парноэлектронные связи, а пятый окажется лишним. Этот избыточный электрон связан со своим атомом намного слабее и, чтобы оторвать его от атома, требуется меньше энергии, чем для освобождения электрона из парноэлектронной связи. Кроме того, превращение такого электрона в свободный носитель заряда не связано с одновременным образованием дырки. Уход электрона с внешней оболочки атома мышьяка превращает его в положительный ион. Тогда уже можно говорить об ионизации данного атома, этот положительный заряд не будет перемещаться, т.е. не является дыркой.
При увеличении содержания мышьяка в кристалле германия увеличивается количество свободных электронов без увеличения количества дырок, как это имело место при собственной проводимости. Если концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок, то основными носителями тока будут электроны. В этом случае полупроводник называют полупроводником n – типа. Теперь введём в кристалл германия атом III группы, например, атом индия. У него три валентных электрона. Он образует устойчивые связи с тремя атомами германия. Четвёртая связь остаётся незаполненной, но не несёт в себе заряда, поэтому атом индия и смежный с ним атом германия остаются электрически нейтральными. Уже при небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних парноэлектронных связей может перейти в эту четвёртую связь.
Что при этом произойдёт? Во внешней оболочке индия появится лишний электрон, атом превращается в отрицательный ион. Нарушится электрическая нейтральность в той парноэлектронной связи, откуда пришёл электрон. Появится положительный заряд – дырка в этой нарушенной связи. При увеличении содержания индия будет увеличиваться количество дырок, и они станут основными носителями заряда. В этом случае полупроводник называется полупроводником p – типа.
Электронно-дырочный переход (p – n переход).
p – n переходом называют область, находящуюся на границе раздела между дырочной и электронной областями одного кристалла. Переход создаётся не простым соприкосновением полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области.
Рис.1. Механизм образования и действия p – n перехода.
а – основные и неосновные носители в областях полупроводника.
б – образование p – n перехода.
в – направление протекания диффузионного тока и тока проводимости.
г – p–n переход под действием внешнего обратного напряжения.
1 – электроны; 2 – дырки; 3 – граница раздела; 4 – неподвижные ионы.
Рассмотрим полупроводник, в котором имеются две области: электронная и дырочная. В первой – высокая концентрация электронов, во второй – высокая концентрация дырок. Согласно закону выравнивания концентрации электроны стремятся перейти (диффундировать) из n – области, где их концентрация выше в p – область, дырки же – наоборот. Такое перемещение зарядов называется диффузией. Ток, который при этом возникает – диффузионным. Выравнивание концентраций происходило бы до тех пор, пока дырки и электроны не распределились бы равномерно, но этому мешают силы возникающего внутреннего электрического поля. Дырки, уходящие из p – области оставляют в ней отрицательно ионизированные атомы, а электроны, уходящие из n области – положительно ионизированные атомы. В результате дырочная область становится заряженной отрицательно, а электронная – положительно. Между областями возникает электрическое поле, созданное двумя слоями зарядов.
Таким образом, вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположных по знаку зарядов, которые образуют так называемый p – n переход. Между p и n областями устанавливается потенциальный барьер. В рассматриваемом случае внутри образовавшегося p – n перехода действует электрическое поле Е, созданное
двумя слоями противоположных зарядов. Если направление электронов, попавших в электрическое поле, совпадает с ним, то электроны тормозятся. Для дырок – наоборот. Таким образом, благодаря возникшему электрическому полю, процесс диффузии прекращается. На РИС.1 видно, что и в n- и в p- области имеются как основные, так и неосновные носители заряда. Неосновные носители образуются за счёт собственной проводимости. Электроны p – области, совершая тепловое хаотическое движение, попадают в электрическое поле p – n перехода и переносятся в n область. То же происходит с дырками n – области. Ток, образованный основными носителями, называют диффузионным током, а неосновными - током проводимости. Эти токи направлены навстречу друг другу, и так как в изолированном проводнике общий ток равен нулю, то они равны. Приложим теперь к переходу внешнее напряжение плюсом к n – области, а минусом к p – области. Поле, создаваемое внешним источником, усилит действие внутреннего поля p – n перехода. Диффузионный ток уменьшится до нуля, так как электроны из n – области и дырки из p – области увлекаются от p – n перехода к внешним контактам, в результате чего p – n переход расширяется. Через переход проходит только ток проводимости, который называют обратным. Он состоит из электронного и дырочного токов проводимости. Напряжение, приложенное таким образом, называют обратным напряжением. Зависимость тока от напряжения показана на рисунке.
Рис. Вольт-амперная характеристика p-n перехода. 2 – прямая ветвь; 1 – обратная ветвь.
Если внешнее напряжение приложено плюсом к p – области, а минусом к n – области, то электрическое поле источника будет направлено навстречу полю p – n перехода и ослабит его действие. При этом увеличится диффузионный (прямой) ток (2). Это явление положено в основу работы полупроводникового диода.
2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии
внешнего напряжения
Электронно-дырочный переход , или сокращенно p-n-переход, – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности (одна – n-типа, другая – р-типа). Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.
Наряду с p-n-переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл-полупроводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (n-n + - переход) и дырочно-дырочный (р-р + - переход). Знак «плюс» относится к слою с большей концентрацией основных носителей заряда.
Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается p-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n-область) (рис. 2.1, а).
| p-n-переход |
| а) |
| г) |
| в) |
| б) |
Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми:
где p p – концентрация дырок в р-области; n n – концентрация электронов в n-области. Такой p-n-переход называют симметричным
В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация, которых значительно меньше, чем основных:
p n << n n и n p << p p ,
где p n – концентрация дырок в n-области;n p – концентрация электронов в р-области.
Из распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структуре (рис. 2.1, 6) видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой – неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электронов в n-области значительно больше, чем в р-области.
Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны – из n-области в р-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере продвижения дырок вглубь их концентрация уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно рекомбинируют там с дырками, и концентрация электронов уменьшается.
Диффузия основных носителей заряда через границу раздела p-и n-областей создает ток диффузии в p-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:
I диф = I p диф + I n диф.
Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.
Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси:
· уход электронов – положительный заряд ионов доноров в n-области;
· уход дырок – отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис. 2.1, а, в).
Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака.
В результате образования по обе стороны границы между р-и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в p-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальнымбарьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера (j), измеряемой в электрон-вольтах (рис. 2.1, г). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.
Слой, образованный участками по обе стороны границы, где «выступили» неподвижные заряды противоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно p-n-переход. Из него уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем или областью пространственного заряда (ОПЗ). Он обладает большим удельным сопротивлением.
Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через p-n-переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в p-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:
I др = I рдр + I n др.
Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока (I т), поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.
При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому:
I диф = I др,
т.е. ток через p-n-переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера j 0 .
Установившаяся высота потенциального барьера (j 0) в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов (U к) в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы:
j 0 = U к .
Величина j 0 зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается, с увеличением концентрации примеси и ширины запрещенной зоны потенциальный барьер возрастает.
В состоянии равновесия p-n переход характеризуется также шириной (l 0).
Рассмотренный симметричный p-n-переход имеет одинаковую ширину частей запирающего слоя по обе стороны границы раздела. На практике чаще встречаются структуры с неодинаковой концентрацией донорной и акцепторной примесей. В этом случае p-n-переход называют несимметричным.
В несимметричном p-n-переходе концентрация примеси в одной из областей на два-три порядка больше, чем в другой. В области с малой концентрацией примеси ширина части запирающего слоя соответственно на два-три, порядка больше, чем в области с высокой концентрацией примеси.
2.2. Электронно-дырочный переход
при прямом напряжении
При подаче на p-n-переход внешнего напряжения процессы зависят от его полярности. Внешнее напряжение, подключенное плюсом к р-области (рис. 2.2, а), а минусом к n-области, называют прямым напряжением(U пр). Напряжение U пр почти полностью падает на p-n-переходе, так как его сопротивление во много раз превышает сопротивление р- и n-областей.
Полярность внешнего напряжения (U n р)противоположна полярности контактной разности потенциалов (U к), поэтому электрическое поле, созданное на p-n-переходе внешним напряжением направлено навстречу внутреннему электрическому полю. В результате этого потенциальный барьер понижается и становится численно равным разности между напряжениями, действующими на p-n-переходе (рис. 2.2, б):
j = U к – U n р.
Вследствие разности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n- и p-областях основные носители заряда диффундируют через p-n-переход, чему способствует снижение потенциального барьера. Через p-n-переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих областях движутся к p-n-переходу, обогащая его подвижными носителями и уменьшая, таким образом, ширину (l)обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления p-n-перехода и возрастанию диффузионного тока. Однако пока U n р < U к , еще существует потенциальный барьер. Обедненный носителями заряда слой p-n-перехода имеет большое сопротивление, ток в цепи имеет малую величину.
При увеличении внешнего прямого напряжения до U к = U n р потенциальный барьер исчезает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии слоя p-n-перехода, обедненного носителями заряда, приводит к свободной диффузии основных носителей заряда из своей области в область с противоположным типом электропроводности. В результате этого через p-n-переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током (I пр), который с увеличением прямого напряжения растет.
| а) |
| б) |
Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барьера называют инжекцией . В симметричном p-n-переходе инжекции дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область по интенсивности одинаковы.
Инжектированные в n-область дырки и в р-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающуюся по мере удаления от границы в глубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заряда, которые поступают из глубины области; например, инжектированные в n-область дырки компенсируются электронами. В результате этой компенсации объемных зарядов, создаваемых у p-n перехода инжектированными неосновными носителями, полупроводник становится электрически нейтральным.
Движение основных носителей заряда через p-n-переход создает электрический ток во внешней цепи. Уход электронов из n-области к p-n-переходу и далее в р-область и исчезновение их в результате рекомбинации восполняется электронами, которые поступают из внешней цепи от минуса источника питания. Соответственно, убыль дырок в р-области, ушедших к p-n-переходу и исчезнувших при рекомбинации, пополняется за счет ухода электронов из ковалентных связей во внешнюю цепь к плюсу источника питания.
Неосновные носители заряда, оказавшиеся в результате инжекции в области с противоположным типом электропроводности, например дырки, инжектированные из р-области в n-область, продолжают движение от границы вглубь. Это движение происходит по причине как диффузии, так и дрейфа, поскольку имеется и градиент их концентрации, и электрическое поле в полупроводнике, созданное внешним напряжением. Диффузия преобладает вблизи p-n-перехода, а дрейф – вдали от него, внутри соответствующей области. На определенном расстоянии от p-n-перехода концентрация инжектированных неосновных носителей заряда убывает до нуля вследствие рекомбинации. В итоге концентрация неосновных носителей остается такой, какой была в равновесном состоянии при отсутствии внешнего напряжения, т.е. обусловленной собственной электропроводностью полупроводника. Дрейф неосновных носителей заряда в сторону от p-n-перехода внутрь области создает тепловой ток (I т). Тепловой ток на несколько порядков меньше диффузионного тока основных носителей заряда, т.е. прямого тока (I пр), и имеет противоположное ему направление.
Прямой ток создается встречным движением дырок и электронов через p-n-переход, но направление его соответствует направлению движения положительных носителей заряда – дырок. Во внешней цепи прямой ток протекает от плюса источника прямого напряжения через полупроводниковый кристалл к минусу источника.
Мы рассмотрели процессы в симметричном p-n-переходе. В используемых на практике несимметричных p-n-переходах, имеющих неодинаковые концентрации акцепторов и доноров, инжекция носит односторонний характер. Например, если концентрация дырок в p-области на несколько порядков превышает концентрацию электронов в n-области (p p >> n n), то диффузия дырок в n-область будет несоизмеримо больше диффузии электронов в р-область. В этом случае можно говорить об односторонней инжекции дырок в n-область, а диффузионный ток через p-n-переход считать дырочным, пренебрегая его электронной составляющей. Таким образом, в несимметричном p-n-переходе носители заряда инжектируются из низкоомной области в высокоомную, для которой они являются неосновными.
При несимметричном p-n-переходе область полупроводника с малым удельным сопротивлением (большой концентрацией примеси), из которой происходит инжекция, называют эмиттером , а область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, – базой .
p-n (пэ-эн) переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.
Всего есть два типа полупроводников это p и n типа. В n — типе основными носителями заряда являются электроны , а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.
Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.
Полупроводники p и n типа изготавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) существенным образом изменяют его электрофизические свойства.
В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны . Для получения их используютдонорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.
В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки . Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, бор.
Полупроводник n — типа (электронной проводимости)
Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кристаллической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов . Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа . При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положительным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е. в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости определяется количеством введенных донорных атомов примеси.
Полупроводник p — типа (дырочной проводимости)
Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристаллической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок , поэтому он называется дырочным полупроводником р-типа . Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.
