§2. Свойства р-n-перехода.

Рассмотрим процессы , происходящие в плоскостном симметричном р-n-переходе.

Р-n-переход без внешнего напряжения.

В момент образования р-n-перехода как р-область, так иn-область электрически нейтральны. Но в р-области много дырок и мало свободных электронов, а вn-области наоборот, много свободных электронов и мало дырок.

Резкое различие концентраций одноименных носителей заряда в р- и n-областях приводит к возникновению диффузии. Дырки, совершающие хаотическое тепловое движение в р-области, начнут переходить вn-область. В обратном направлении будут перемещаться свободные электроны. Таким образом, через границу раздела областей начнет протекать ток диффузии, образованный основными носителями заряда и содержащий дырочную и электронную составляющие:

I_диф = I_{р диф} + I_{n диф}

Поскольку за направление тока принято направление перемещения положительных зарядов, ток диффузии будет протекать от р-области к n-области.

В результате диффузии нарушается электрическая нейтральность р- и n-областей. В р-области вблизи границы раздела областей выступят нескомпенсированные отрицательные заряды атомов акцепторной примеси т.к. часть ранее компенсировавших их положительно заряженных дырок перейдет вn-область, а другая часть рекомбинирует с пришедшими изn-области свободными электронами. В приконтактной частиn-области появятся нескомпенсированные положительные заряды атомов донорной примеси, поскольку компенсировавшие их ранее отрицательно заряженные свободные электроны частично перейдут вp-область, а частично рекомбинируют с диффундирующимиn-области дырками. Таким образом, по обе стороны от границы раздела областей появятся заряды противоположных знаков (рис.2а). Энергетическая диаграмма, т.е. энергия, которой будет обладать электрон, находясь в той или иной обаласти, изображена на рис.2б.

Между ними образуется электрическое поле, препятствующее диффузионному перемещению основных носителей заряда и называемое поэтому потенциальным барьером. Приконтактные участкиp- иn-областей с появившимися нескомпенсированными зарядами атомов акцепторной и донорной примесей являютсяp-n-переходом. По мере перехода основных носителей заряда через границу раздела и роста в результате этого потенциального барьера, ток диффузии будет уменьшаться, так как все меньшее число основных носителей заряда будет иметь энергию, достаточную для преодоления потенциального барьера.

Высота потенциального барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей, и тем большее число их диффундирует чрез границу.

а) структура	Рис. 3. Образование потенциального барьера р-n-перехода.
б) энергетическая диаграмма Рис.2. р-nпереход в состоянии термодинамического равновесия

С возникновением электрического поля на границе раздела областей появляется возможность обратного перехода носителей заряда: дырок из n-области вp-область и свободных электронов изp-области вn-область. Так, дырка, совершающая тепловое хаотическое движение вn-области вблизи перехода, может попасть в электрическое поле перехода, которое для нее в данном случае (при переходе изn-области вp-область) не является потенциальным барьером, а, наоборот, является ускоряющим. Поэтому дырка будет переброшена полем вp-область. При этом вp-области будет скомпенсирован отрицательный заряд одного из атомов акцепторной примеси, расположенного вблизи границы раздела областей. В то же время свободный электрон, совершающий хаотическое тепловое движение вp-области, попав в поле перехода, будет переброшен им вn-область, где скомпенсирует один из положительных атомов донорной примеси. Переходя через границу раздела областей, неосновные носители заряда образуют дрейфовый ток, состоящий, как и ток диффузии, из дырочной и электронной составляющих :

Дрейфовый ток препятствует повышению потенциального барьера и понижению диффузионного тока до нуля. В установившемся режиме в p-n-переходе наступает динамическое равновесие: ток диффузии, понижаясь, становится равным встречному дрейфовому току и результирующий ток через переход становится равным нулю. Величина дрейфового тока определяется концентрацией неосновных носителей заряда вp-n-областях (чем больше неосновных носителей в данной области, тем больше вероятность попадания их в поле перехода) и практически не зависит от напряженности электрического поля перехода. Поскольку концентрация не основных носителей заряда в р- иn- областях, а значит и дрейфовый ток, в сильной мере зависит от температуры, дрейфовый ток через р-n-переход принято называтьтепловым током.

Диффузия основных носителей заряда в смежную область при образовании р-n-перехода и усиленная рекомбинация их там приводят к тому, что внутри р-n-перехода остается очень мало носителей заряда, то есть р-n-переход представляет собой ток называемыйобедненный слой. Однако сопротивление р-n-перехода не определяется сопротивлением обедненного слоя, т.к. токи, протекающие через р-n-переход, образуются в основном носителями заряда р- иn-областей, а не обедненного слоя.

Основными величинами, характеризующими р-n-переход в равновесном состоянии, являются высота потенциального барьера, называемая также контактной разностью потенциалов, Δφ₀илиU_Kи ширина переходаl₀.

Р-n-переход при прямом включении.

Прямым называется такое включение р-n-перехода, при котором происходит понижение потенциального барьера и через переход протекает относительно большой ток. Для этого электрическое поле, создаваемое внешним источником д.б. направлено встречно внутреннему полю перехода. Следовательно плюс источника д. б. подключен к р-области, а минус - кn-области (рис.4).

Рис. 4. Электронно-дырочный переход при прямом напряжении.

рис. 7 Распределение концентраций носителей заряда в p-nпереходу

Поскольку сопротивление р- и n-областей мало, практически все напряжение источника оказывается приложенным к р-n-переходу. Понижение потенциального барьера приводит к увеличению тока диффузии, а на величину дрейфового тока не влияет. Поэтому через р-n-переход и во внешней цепи будет протекать прямой ток, равный разности токов диффузии и дрейфового:

Iпр=Iдиф-Iдр

При комнатной температуре даже при незначительном понижении потенциального барьера имеет место соотношение Iдиф>>Iдр, и поэтому можно считатьIпр=Iдиф, т.е. прямой ток через р-n-переход - это ток диффузии, образованный основными носителями заряда.

Рис. 5. ВАХ германиевого и кремниевого р-n-переходов при прямом включении

На рис.5 изображены примеры ВАХGe-го иSi-го р-n-переходов при прямом включении.

Начальные криволинейные участки характеристик соответствуют наличию потенциального барьера. При дальнейшем повышении прямого напряжения, когда потенциальный барьер оказывается полностью скомпенсированным, зависимость Iпр отUпр становится близкой к линейной. При этом величина прямого тока определяется объёмным сопротивлением р- и п-областей. Поскольку высота потенциального барьера у германиевого р-п-перехода меньше, чем у кремниевого, криволинейный участок характеристики у германиевого перехода заканчивается при меньшем напряжении, чем у кремниевого, т.е. характеристика германиевого перехода сдвинута влево относительно характеристики кремниевого перехода.

Процесс введения неосновных носителей заряда в данную область полупроводника через пониженный потенциальный барьер из области, где эти носители являются основными, называется инжек­цией.

В n-область из р-области инжектируются дырки, а в р-область изn-области – свободные электроны. В результате инжекции в полупроводнике образуется избыточная (по сравнению с равновесной) концентрация неосновных носителей заряда. Инжектированные неосновные носители заряда, диффундируя в глубь данной области, рекомбинируют с основными носителями этой области. Поэтому избыточная концентрация неосновных носителей заряда по мере увеличения расстояния от перехода уменьшается. Таким образом, инжектированные носители заряда обладают лишь определённымвременем жизни τ. Расстояние, на котором избыточная концентрация неосновных носителей заряда уменьшается в е раз, называетсядиффузионной длиной( е=2,718 – основание натурального логарифма).

Диффузионная длина выражается через коэффициент диффузии и время жизни

При наличии внешнего напряжения Uширина р-n-перехода

где l₀– равновесная ширина перехода

где N_диN_а– концентрации донорной и акцепторной примесей

Δφ – контактная разность потенциалов

где ρ_I– удельное сопротивление собственного полупроводника

ρ_pи ρ_n– удельное сопротивление р- иn- областей,b=µ_n/µ_p

При прямом включении U>0 ширина перехода уменьшается. Физически это объясняется тем, что под действием электрического поля источника основные носители заряда в р- иn-областях смещаются в сторону границы раздела областей.

P-n-переход при обратном включении

Обратным называется такое включение р-n-перехода, при котором происходит повышение потенциального барьера. Для этого плюс источника подключают кn-области, а минус - к р-области (рис.6). Повышение потенциального барьера приводит к понижению тока диффузии (диффузия основных носителей через плоскость ММ затрудняется). В результате чего потоки дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область уменьшаются по сравнению с равновесным состоянием. Это приводит к снижению концентраций неосновных носителей заряда не только в запорном слое, но и в прилегающих к нему областях.

Явление обеднения n- и p-областей полупроводника, прилежащих к запорному слою, неосновными носителями при обратном смещении называется экстракцией неосновных носителей.

Рис.6 - Обратное смещение перехода

В результате экстракции неосновные носители заряда из глубины p- и n-областей дрейфуют к запорному слою, однако рекомбинация их с основными носителями не позволяет полностью выровнять концентрацию неосновных носителей у границ запорного слоя и вдали от него. Поэтому по мере удаления от границ запорного слоя концентрации неосновных носителей повышаются. При обратном смещении высота потенциального барьера повышается по сравнению с равновесным состоянием. В результате поток основных носителей, способных преодолеть этот барьер, резко уменьшается. Результирующий ток через p-n-переход направлен в этом случае от n-области к p-области, т.е. совпадает по направлению с током, создаваемым дрейфовыми потоками неосновных носителей. Такой ток называют обратным током p-n-перехода. С возрастанием величины обратного напряжения диффузионные потоки основных носителей уменьшаются, а обратный ток увеличивается. Однако уже при сравнительно небольших обратных напряжениях (около 0,1В) диффузионное движение основных носителей через переход практически полностью прекращается. Начиная с этого момента, обратный ток перехода определяется только дрейфовым движением неосновных носителей и слабо зависит от величины обратного напряжения.

С повышением температуры полупроводника концентрация неосновных носителей повышается, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного токов p-n-перехода. ВАХ диода для двух различных значений температуры приводятся на рис.1.5.