1.2 Контактные явления в полупроводниках

В полупроводниковых приборах используются особые явления, возникающие на границах раздела между полупроводниками n-типа и p-типа. Для анализа рассмотрим плоскопараллельную границу между двумя примесными полупроводниками (рис 1) и для простоты не будем учитывать неосновные носители зарядов. На рис. 1 показаны только примесные атомы в p- и n-полупроводниках, расположенные около контакта. При появлении границы раздела не участвующие в связях электроны примесных атомов n-полупроводника, расположенных около границы, переходят к примесным атомам p-полупроводника, тоже находящихся около границы, так как на атомах акцепторной примеси не заполнена одна валентная связь. Очевидно, атомы примеси n-области, отдавшие электрон, становятся положительными ионами, а примесные атомы p-области, принявшие электрон – отрицательными ионами.

Рис 1. Простейшая структура полупроводникового диода

В результате этого вдоль границы раздела появляются слои неподвижных положительных ионов примеси в n-области и отрицательных ионов примеси в p-области. Между заряженными слоями образуется обедненный свободными носителями заряда слой материала – так называемый запорный слой, что эквивалентно емкости. Эта емкость называется контактной емкостью.

Контакт двух полупроводников с различными типами примесной проводимости называется p – -переходом. Этот переход обладает очень важным свойством – его сопротивление зависит от направления тока, что широко используется при создании полупроводниковых приборов.

Двойной слой электрических зарядов создает на переходе электрическое поле с напряженностью E_К, направленное от «+» к «–», которое называется контактным полем (рис.1). Контактное поле препятствует движению основных носителей заряда через границу раздела, поэтому разность потенциалов этого поля на переходе называется контактным напряжением U_К, или высотой потенциального барьера.

Если к свободным торцам полупроводников, показанных на рис.1, подключить внешний источник электрической энергии с напряжением, знак которого показан на рис.1 сверху (U_АВ> U_К), то в цепи потечет значительный ток, обусловленный инжекцией основных носителей заряда. В этом случае говорят, что переход открыт. Очевидно, при обратном знаке приложенного напряжения, показанном внизу (U_АВ< U_К), ток через переход будет малым, так как он обусловлен только неосновными носителями зарядов полупроводников и говорят – переход заперт.

Таким образом, p – n-переход хорошо проводит ток в одном направлении и плохо – в противоположном, то есть обладает односторонней проводимостью.

1.3 Полупроводниковые диоды

Рассмотренное выше свойство односторонней проводимости p – n-перехода используется в полупроводниковых диодах, которые отличаются от структуры рис.1 тем, что торцы кристаллов имеют металлические контакты, с помощью которых диод включается в электрическую цепь. Говорят, что диод – двухполюсник. На рис. 1 справа показано условное графическое обозначение диода, причем стрелка указывает направление, в котором диод хорошо пропускает ток.

Электрические свойства диода определяются зависимостью протекающего через него тока I от приложенного напряжения U, которая называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) диода. Вольт-амперные характеристики диодов снимаются экспериментально и их типичный вид показан на рис. 1 в описании к лабораторной работе «Выпрямление». Видно, что ВАХ диодов существенно нелинейны, то есть диоды – нелинейные резистивные элементы (резисторы).

Под сопротивлением нелинейного резистора постоянному току понимается отношение напряжения на резисторе к протекающему току, то есть R=U/I. Значит, каждой точке ВАХ будет соответствовать свое значение сопротивления. Графически это сопротивление определяется наклоном секущей, проведенной из начала координат в определенную точку, например, точку 1. Сопротивление диода в этой точке равно R₁=U₁/I₁ =ctg β₁. Из графика видно, что изменение напряжения даже в области практически линейного участка нелинейной ВАХ приводит к изменению сопротивления диода постоянному току.

Таким образом, диод является нелинейным резистором и обладает односторонней проводимостью, так как имеет большое сопротивление при отрицательном приложенном напряжении и малое сопротивление – при положительном U.