60. Дайте определение p-n перехода. Объясните физический смысл процессов , протекающих в p-n переходе при приложении прямого и обратного напряжения.

P-n-переход – это область технологического контакта между слоями полупроводников n- и р-типа. Главной особенностью этого контакта является его ярко выраженная нелинейность - проводимость при одной полярности внешнего напряжения (прямое смещение) намного больше, чем при другой полярности (обратное смещение).

Рис. 3.4. Энергетическая диаграмма p-n-перехода

В основном для получения p-n-переходов используют примесные полупроводники с существенно различной концентрацией основных носителей. Рассмотрим пример, когда удельное сопротивление n-слоя значительно меньше, чем у р-слоя:

n_n>>p_n ,

соответственно на основании (3.4) для неосновных носителей верно обратное неравенство, т.е.

p_n << n_р.

Поскольку уровень Ферми при равновесном состоянии твердого тела расположен горизонтально, то зонная диаграмма p-n-перехода приобретает вид, изображенный на рис. 3.4.

Хорошо видно, что разность уровня Ферми в n- и р-слоях приводит к энергетическому “искривлению” разрешенных зон: в области контакта появляется потенциальный барьер ₀.

Рис. 3.5. Равновесное состояние p-n-перехода

Этот барьер создает поле, препятствующее переходу основных носителей из одного слоя в другой (пунктирная траектория электрона слоя n), и является ускоряющим для неосновных носителей (сплошная траектория для электрона слоя р). Искривление энергетической диаграммы распространяется на ширину l₀, составляющую порядка одного микрона. В этом промежутке свободных носителей практически нет: неосновные быстро “проскальзывают” его за счет дрейфа в ускоряющем поле потенциального барьера, а основные носители, диффузии которых барьер препятствует, практически туда не попадают. Этот участок на границе двух слоев, обладающий очень большим сопротивлением по сравнению с остальными участками n- и р-слоев, собственно и называется

p -n-переходом.

В равновесном состоянии, когда внешнее напряжение, приложенное к p–n–переходу, равно нулю (рис. 3.5), малое число основных носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, уравновешивается встречным движением малого же числа неосновных носителей, свободно дрейфующих в поле перехода. В результате ток через переход равен нулю.

Рис. 3.6. Прямое смещение p-n-перехода

При прямом смещении, когда внешнее напряжение приложено такой полярностью, чтобы снизился потенциальный барьер, равновесие нарушается в сторону основных носителей, которыми обусловливается прямой ток I_п (рис. 3.6).

Рис. 3.7. Обратное смещение p-n-перехода

Зависимость величины прямого тока от приложенного напряжения U_п очень резкая, почти экспоненциальная. Следует обратить внимание на сужение области p-n-перехода, последствия которого будут рассмотрены далее.

При обратном смещении внешнее поле, суммируясь с полем потенциального барьера, делает практически нулевым поток основных носителей, в то время как дрейф неосновных носителей остается почти неизменным. Ток через переход меняет направление (рис. 3.7).

Обратный ток I₀ определяется неосновными носителями и поэтому очень мал. Ширина p-n-перехода в обратном включении возрастает.

Математическая связь между приложенным напряжением U и протекающим через p-n-переход током I определяется уравнением

(3.6)

где m – коэффициент, зависящий от материала полупроводника (для кремния m=2), I_S – обратный ток насыщения.

На основании (3.6) можно построить график зависимости I=F(U) – вольт-амперную характеристику, из которой с очевидностью видна преимущественно односторонняя проводимость p-n-перехода (см. рис. 3.8).

При прямом смещении в (3.6) надо подставлять U > 0, при обратном – U < 0. Резкое нарастание прямого тока у кремниевых p-n-переходов наступает в районе 0,60,8В. Обратный ток при U₀>>m _т становится независимым от напряжения и равным I_S.

Рис. 3.8. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода