1.3 Электронно-дырочный переход (р-n переход)
Электронно-дырочный переход является основным элементом структуры большинства типов полупроводниковых приборов.
Он представляет собой переходной слой в полупроводниковом материале между двумя областями с различными типами проводимости или разными значениями удельной электропроводности, причем одна из областей может быть металлом.
Так как в n-области концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок, электроны диффундируют в р-область и там рекомбинируют с дырками. Из р-области по той же причине в n-область происходит диффузия дырок и их рекомбинация с электронами.
По завершении этих процессов в р-области останутся отрицательно заряженные акцепторные ионы, в n-области положительно заряженные донорные ионы, а у границы раздела р- и n- областей образуется двойной слой пространственного заряда- отрицательные заряды в р-области, а положительные – в n-области. Сам этот слой окажется обедненным свободными носителями заряда (рисунок 10).
Рисунок 10
Нескомпенсированные ионы примеси в пограничном слое создают потенциальный барьер, преодолеть который могут лишь носители, имеющие достаточную энегию, и встречные потоки которых находятся в динамическом равновесии.
В отсутствии внешнего электрического поля полный ток через р-n переход равен 0. При приложении поля высота барьера изменяется и нарушается равновесие встречных потоков носителей, проходящих через него.
Если к р-области приложен положительный потенциал (прямое смещение), высота барьера уменьшается, и с увеличением напряжения U возрастает поток основных носителей, способных преодолеть барьер; поток неосновных носителей не изменяется. Полный ток через р-n переход (правая ветвь вольт-амперной характеристики, рисунок 10), называемый прямым током р-n перехода, определяется уравнением
.
При смене полярности внешнего поля (обратное смещение) высота барьера увеличивается, ток через р-n переход определяется диффузией только неосновных носителей заряда, его величина мала и не зависит от приложенного напряжения. Такой ток Is называется обратным током р-n перехода или током насыщения (левая ветвь вольт-амперной характеристики).
При изменении знака напряжения U ток через р-n переход может изменятся на 5-6 порядков. На этом свойстве основано применение р-n перехода для выпрямления переменного тока (полупроводниковый диод).
Рисунок 10
Концентрация неосновных носителей, а следовательно, и ток насыщения зависят от внешних воздействий (тепловых, оптических, механических), что позволяет создавать на базе р-n переходов детекторы температуры, излучения, давления, а также преобразователи различных видов энергии в электрическую.
На основе р-n переходов или с их использованием создаются также транзисторы, стабилизаторы напряжения, усилители и генераторы, светодиоды, полупроводниковые лазеры, микросхемы и т.д. Образование р-n перехода происходит при контакте двух полупроводников с разным типом проводимости или при легировании одной части полупроводника донорной, а другой его части – акцепторной примесью.