Электронно-дырочный переход (эдп)

Контакт между полупроводниками p- и n-типа проводимости называется электронно-дырочным переходом (ЭДП) или p-n-переходом.

ЭДП нельзя осуществить путем простого соприкосновения двух разнородных полупроводниковых пластин, т.к. при этом неизбежен промежуточный слой воздуха или поверхностных пленок.

ЭДП получают путем введения разнородных примесей в соседние области одного монокристалла различными технологическими способами, из которых для кремниевых вентилей применяют сплавной, диффузионный, диффузионно-сплавной и др.

Исходным материалом для изготовления кремниевого ЭДП является сверхчистый монокристаллический кремний, обладающий электронной проводимостью с удельным сопротивлением 1,0-1,2 Омм.

ЭДП при отсутствии внешнего напряжения

До соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно.

При образовании ЭДП через плоскость контакта возникают диффузионные потоки основных носителей заряда, вызванные их неравномерной концентрацией: электронов из n-слоя в слой p и дырок из p-слоя в n-слой.

Диффундирующие электроны и дырки, попадая в области, где они являются неосновными носителями зарядов, интенсивно рекомбинируют. Вследствие этого концентрация свободных носителей зарядов в области, прилегающей к плоскости контакта, резко снижается до собственной. Это приводит к образованию на границе ЭДП тонкого (несколько микрометров), так называемого запорного (запирающего) слоя, обладающего высоким сопротивлением.

Уход основных носителей из приграничной области приводит к тому, что избыточные электрические заряды неподвижных доноров и акцепторов, связанных с решетками полупроводника, оказываются нескомпенсированными, то есть по обе стороны границы раздела двух полупроводников создаются объемные заряды различных знаков.

В области n положительный электрический заряд образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками.

В области p отрицательный объемный заряд образован отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают контактная разность потенциалов и электрическое поле. Таким образом возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема образования p-n-перехода при отсутствии внешнего

напряжения и его потенциальная диаграмма

На рис. 2.8 обозначено: контактная разность потенциалов _к = _n - _p, вектор напряженности электрического поля Е_к, толщина p-n-перехода l. Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов _к, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей в этих областях:

(2.3)

где – тепловой потенциал,

, (2.4)

где к – постоянная Больцмана (к = 1,3810^-23 Дж/К = 8,610^-5 эВ/К);

Т – абсолютная температура, К;

q – заряд электрона (q = 1,610^-19 Кл);

n_n, n_p – концентрация электронов и дырок в n- и p-областях;

n_i – концентрация носителей в нелегированном полупроводнике.

Чем больше концентрация примесей, тем больше концентрация основных носителей и тем большее их число диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, увеличиваются _к и высота потенциального барьера, при этом l уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины. Для германия, например, при средней концентрации примесей _к = 0,3-0,4 В и l = 10^-4-10^-5 см, а при больших концентрациях, создаваемых в некоторых приборах, _к ≈ 0,7 В и l1=110^-6 см.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов (дрейф). Движение носителей под действием электрического поля называется дрейфом носителей. Это поле перемещает дырки из n-слоя в p-слой, и наоборот, электроны из p-слоя обратно в n-слой, т.е. происходит движение неосновных носителей.

При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия, при котором i_др = i_диф.

Таким образом, в p-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов p- и n-полупроводников.

ЭДП при прямом напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным полюсом – к полупроводнику n-типа (рис. 2.9).

Напряжение, полярность которого совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым.

Электрическое поле, создаваемое прямым напряжением, действуют навстречу полю, создаваемому контактной разностью потенциалов _к. Вектор напряженности электрического поля Е_пр направлен встречно вектору Е_к. Результирующее поле становится слабее, разность потенциалов уменьшается, уменьшается высота потенциального барьера, возрастает диффузионный ток, так как пониженный барьер может преодолеть большее число основных носителей.

Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит от числа неосновных носителей, которые попали за счет своих тепловых скоростей на p-n-переход из p- и n-областей.

Рис. 2.9. Схема p-n-перехода и потенциальная диаграмма его

при приложении к нему прямого напряжения

Напряжение на переходе становится равным разности _к – u_пр (если не учитывать падение напряжения на сопротивлениях самих p- и n-областей).

При прямом напряжении i_диф > i_др, следовательно i_пр= i_диф – i_др  0.

Если барьер значительно понижен, то i_диф  i_др и можно считать, что i_пр  i_диф.

Введение носителей заряда через пониженный потенциальный барьер в области, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда («инжекция» – введение, впрыскивание).

Область, из которой инжектируются заряды у полупроводникового прибора, называется эммитерной, в которую заряды инжектируются – базой.

При прямом напряжении не только уменьшается высота потенциального барьера, но и уменьшается толщина запирающего слоя l (l _пр < l).

Если внешнее напряжение u_пр  _к, то потенциальный барьер можно уничтожить. Тогда прямое сопротивление R_пр p-n-перехода будет достаточно мало (единицы-десятки Ом) и большое значение прямого тока можно получить при небольшом прямом напряжении. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления p- и n-областей.

ЭДП при обратном напряжении

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n-области, отрицательным – к p-области (рис. 2.10).

Рис. 2.10. Схема p-n-перехода и потенциальная диаграмма его

при приложении к нему обратного напряжения

Поле, создаваемое _к, складывается с полем, образованным u_обр. Результирующее поле усиливается, увеличивается высота потенциального барьера (_к + u_обр). Под действием u_обр протекает небольшой обратный ток

i_обр = i_др – i_диф. (2.5)

При небольшом повышении барьера диффузия прекращается, т.к. собственные скорости носителей малы для преодоления барьера и i_диф = 0, и, как следствие, i_обр = i_др.

Ток проводимости остается неизменным и определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на p-n-переход из p- и n-областей.

Выведение неосновных носителей заряда через p-n-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называется экстракцией носителей зарядов («экстракция» – извлечение, выдергивание). Обратный ток представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей зарядов.