4.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего электрического поля

Концентрация примесей, а значит, и основных носителей в областях р-n перехода обычно не одинакова (Рис. 18.4, б). Различие может составлять несколько порядков. Разность концентраций вызывает диффузию носителей заряда из области с более высокой концентрацией в область с менее высокой концентрацией. Основные носители n области – электроны – диффундируют в р область и наоборот, дырки из р области диффундируют в n область. Диффузионный ток через переход определяется суммой токов электронов и дырок. Но один из них значительно, на несколько порядков, больше другого.

Переход через границу р-n перехода и постоянный приток носителей противоположного знака приводит к появлению объемных зарядов – дырок в n области и электронов в р области. Между объемными зарядами, в непосредственной близости от обеих сторон границы, возникает область, обедненная подвижными носителями, а потому обладающая большим электрическим сопротивлением. Эта область называется запирающим слоем.

Объемные заряды создают внутри запирающего слоя электрическое поле, которое препятствует диффузионному току и называется потенциальным барьером – ∆φ₀. График изменения потенциала электрического поля приведен на рис. 18.4, в. Количественно потенциальный барьер оценивают в вольтах, выражением

(18.7)

где – тепловой потенциал, n_i – концентрация собственных носителей.

Электрическое поле между объемными зарядами вызывает направленное движение через переход собственных носителей заряда (электронов и дырок). Такое движение направлено навстречу диффузионному току и называется дрейфовым током. Когда диффузионный и дрейфовый токи выравниваются по абсолютной величине I_диф = I_др, суммарный ток равен нулю, и р-n переход приходит в равновесное состояние.

Таким образом, металлургическая граница между полупроводниками n и р типа является и границей между двумя объемными зарядами – объемным зарядом электронов в р области, и объемным зарядом дырок в n области. При отсутствии внешнего электрического поля разность потенциалов между объемными зарядами ∆φ₀ может иметь значения от 0,6 до 1,2 В. Через р-n переход протекают диффузионные токи I_диф.n и I_диф.р, а также дрейфовые токи I_др.n и I_др.р.

В состоянии равновесия I_диф = I_диф.n + I_диф.р = – I_др = – (I_др.n + I_др.р), т. е. результирующий ток равен нулю. Так как дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному, его называют обратным и обозначают I_о. Величина обратного тока сильно зависит от температуры, поэтому иногда его называют тепловым током, обозначая I_T. Сопротивление р-n перехода определяется сопротивлением запирающего слоя.

2. Электронно-дырочный переход под воздействием внешнего электрического поля

Наибольший практический интерес представляет случай, когда равновесие p-n перехода нарушается подачей внешнего напряжения.

Если внешнее напряжение приложено минусом к p области и плюсом к n области (рис. 18.5, а), то оно совпадает с контактной разностью потенциалов ∆₀. Это приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое, увеличению сопротивления этого слоя и росту потенциального барьера до значения

∆φ₁ = ∆₀ + U_обр. (18.8)

Диффузия основных носителей через p-n переход уменьшается, а при определенном значении U_обр может полностью прекратиться. Такое напряжение называется обратным. Обратным называют и включение p-n перехода. При обратном включении поле p-n перехода втягивает все подошедшие к нему собственные носители, и через переход протекает только обратный ток I_о. Так как число собственных носителей (дырок в n области и электронов в p области) мало, то величина обратного тока I_о значительно (на несколько порядков) меньше диффузионного и зависит только от температуры.

Если внешнее напряжение приложено плюсом к р области и минусом к n области (рис. 18.6, а), то оно направлено встречно контактной разности потенциалов ∆₀, поэтому высота потенциального барьера уменьшается до значения ∆φ₂ = ∆φ₀ – U_пр (рис. 18.6, б). Такое напряжение называют прямым, а при подаче его на переход говорят, что переход включен (смещен) в прямом направлении.

В результате снижения контактной разности потенциалов в переходе запирающий слой обогащается подвижными носителями, сопротивление его уменьшается. Это приводит к увеличению диффузионного тока, причем, значение тока связано с напряжением на переходе экспоненциальной зависимостью

, (18.9)

где U – напряжение на p-n переходе.

Обратный ток по - прежнему не зависит от приложенного напряжения, определяется только количеством собственных носителей и протекает в противоположном направлении. Результирующий ток называется прямым током p-n перехода и определяется разностью диффузионного и обратного (дрейфового) токов:

. (18.10)

Таким образом, p-n переход обладает резко выраженной односторонней проводимостью, то есть является выпрямляющим. Чем больше прямое напряжение U_пр, прикладываемое к переходу, тем ниже потенциальный барьер, тем меньше сопротивление перехода, тем больше ток основных носителей через переход. Зависимость тока p-n перехода от приложенного напряжения называется вольт - амперной характеристикой. Вольт - амперная характеристика, построенная по (18.10), приведена на рис. 18.7. Так как тепловой потенциал φ_Т при температуре 300 К равен 25мВ, то уже при U = 0,1В можно считать, что

.

Предельное значение прямого напряжения не превышает контактной разности потенциалов ∆φ₀, т. е. измеряется долями вольта. Обратное напряжение ограничивается пробоем p-n перехода. Пробой возникает при достаточно большом (десятки вольт) обратном напряжении U_m за счет лавинного размножения собственных носителей и называется лавинным пробоем. Если ток лавинного пробоя не ограничен, то при некотором его значении I_{t пр} происходит тепловой пробой. Тепловой пробой разрушает p-n переход.

Вольт – амперная характеристика позволяет определить статическое сопротивление R_ст p-n перехода в любой заданной точке. Например, для точки А значение R_ст = U₁/I₁. Дифференциальное сопротивление R_диф можно определить, воспользовавшись выражением (18.10). Для этого сначала определим дифференциальную проводимость:

,

а затем сопротивление:

(18.11)

Полупроводниковый p-n переход обладает емкостью. Емкость перехода зависит от значения и полярности приложенного напряжения. При обратном напряжении емкость называется барьерной и определяется выражением

, (18.12)

где С(0) – значение емкости при U=0.

При прямом напряжении большее влияние оказывает диффузионная емкость, которая зависит от прямого тока и времени жизни собственных носителей

(18.13)

График зависимости емкости p-n перехода от приложенного напряжения приведен на рис. 18.8.

Наличие емкости приводит к комплексному характеру сопротивления p-n перехода и к зависимости его параметров (в частности, прямого и обратного токов) от частоты.