Лекция по теме «Электронно-дырочный переход»

6. Электронно-дырочный (p-n— переход)

Изолированный кристалл n-типа электрически нейтрален, сумма положительных и отрицательных зарядов в нем равна нулю. Количество атомов, лишившихся одного электрона и превратившихся в положительные ионы, строго равно количеству оторвавшихся от атомов электронов. Чем выше температура, тем больше образуется свободных электронов. В частности, при комнатной температуре практически все «лишние» электроны донорной пятивалентной примеси отрываются от атомов и движутся хаотически.  Положительные ионы находятся в узлах кристаллической решетки.

Также электрически нейтрален и изолированный кристалл p-типа. Однако в нем в хаотическом тепловом движении находятся дырки, а атомы акцепторной примеси, захватившие лишний электрон и превратившиеся в отрицательные ионы,— в узлах кристаллической решетки.

Приведем кристаллы п- и p-типов в плотное соприкосновение и рассмотрим процессы на границе раздела (рис. 7, а). На рисунке ионы обозначены кружками, а свободные носители — знаками « + » и «—».

Сразу после соприкосновения кристаллов начнется диффузия дырок из p-области в n-область и диффузия электронов в обратном направлении. Встречаясь, электроны и дырки рекомбинируют, при этом вблизи граничной плоскости образуются два слоя: слева слой «обнаженных» отрицательных ионов, что препятствует дальнейшему переходу электронов из n-полупроводника, а справа — слой «обнаженных» (некомпенсированных) положительных ионов, мешая движению дырок через p-n-переход.

Между двумя разноименно заряженными слоями возникает электрическое поле, напряженность которого ε препятствует
диффузии дырок и электронов.

Рис. 7. Возникновение контактной разности потенциалов

а — распределение ионов и свободных носителей заряда в области, близкой к p-n— переходу;

б – изменение потенциала в направлении, перпендикулярном плоскости p-n— перехода

Чем больше не скомпенсированных ионов, т. е. чем больше ширина «обнаженных» слоев, тем выше напряженность электрического поля. При некотором значении напряженно­сти диффузионный ток прекратится. Этому значению напряженности соответствуют определенная контактная разность потенциалов φ_к  (рис. 7, б) и определенная ширина p-n-переход  l.

В то же время под действием напряжен­ности ε неосновные носители (дырки для полупроводника n-типа и электроны для полупроводника p-типа) начнут дрейфовать навстречу диффундирующим зарядам, возникает дрейфовый ток, направленный навстречу току диффузии. Динамическое равновесие наступит при равенстве диффузионного и дрейфового токов, при этом слой l сильно обеднен свободными носителями заряда, хотя и не лишен их полностью. С прибли­жением к плоскости раздела кристаллов обеднение p-n-переходаl носителями зарядов будет все более выражен­ным.

Ширина p-n-перехода l связана с контактной разностью потенциалов, которая, в свою очередь, зависит от выбора материалов и концентрации при­месей. Чем выше контактная разность потенциалов ф_к, тем шире обедненный слой l. У германия и кремния контактная разность потенциалов составляет десятые доли вольт, а ширина обедненного слоя — десятые и сотые доли микрометра.

Контактная разность потенциалов придает р-п-переходу свойство односторонней проводимо­сти, которое широко применяется в современной технике.

7. Токи в полупроводниках

Различают четыре разновидности токов в зависимости от типа свобод­ных носителей заряда и от причины их движения:

— дырочный

— электронный

— диффузионный

— дрейфовый.

Дырочный ток — направленное движение дырок под действием какой- либо причины, а электронный ток — направленное движение электронов. При­чиной появления тока может быть внешнее электрическое поле, приложенное к полупроводнику (дрейфовый ток) или различие в концентрациях носителей заряда (диффузионный ток).

Сочетая причину тока и тип свободных носителей заряда, образующих ток в данном случае, можно выделить следующие четыре разновидности токов в полупроводниках:

• дрейфовый электронный ток
• дрейфовый дырочный ток
• диффузионный электронный ток
• диффузионный дырочный ток.

Величина электронного и дырочного токов зависит от подвижности электронов или дырок. Если напряженность внешнего электрического поля повышается, то пропорционально будет расти скорость носителей зарядов и ток. Но при достижении определенной критической скорости дальнейший рост скорости носителей заряда прекращается.

8. р-п-переход и его свойства

8.1. Прямое включениер-п-перехода

Включение р-п-перехода в электрическую цепь, когда плюс источника подсоеди­нен к области p, а минус — к области п, называется прямым включением.

Рис.8. Прямое включение р-п-перехода

Под действием приложенного внешнего напряжения дырки из тела по­лупроводника дырочной проводимости (p-типа) устремляются в область объем­ного отрицательного заряда, нарушая баланс системы. В то же время свободные электроны электронного полупроводника (n-типа) устремляются к области объёмного положительного заряда р-п-перехода, нейтрализуя в определённой степени этот заряд. Уменьшение объемного заряда оказывается эквивалентным уменьшению ши­рины р-п-перехода.

Т.к. сопротивление кристаллов невели­ко и все приложенное напряжение практически падает на обедненном слое, можем записать:

φ_к.п = φ_к –U

— φ_к..— собственная контактная раз­ность потенциалов обедненного слоя;

— φ_{к.п. –} контактная разность потенциалов при прямом включении  источника;

U- приложенное напряжение.

Таким образом, при прямом включении р-п-перехода разность потенциалов на границах обедненного слоя (потенциальный барьер) уменьшается, что приводит  к возрастанию электронных и дырочных диффузионного тока и уменьшению встречного дрейфового тока. Результирующий ток (прямой) совпадает с диффузионным.

Вывод: р-п-переход включенный в прямом направлении, пропускает электрический ток.

Рост внешнего тока при повышении приложенного напряжения происходит по экспоненте и очень быстро, т.е. чтобы при прямом смешении p-n-перехода не разрушился, не­обходимо предусмотреть какие-либо меры ограничения тока, если внешнее на­пряжение больше одного вольта.

8.2. Обратное  включениер-п-перехода

Включение, при котором к области р подсоединен минус источника, а к области п — плюс, называется обратным. (рис. 9).

Рис. 9.  Обратное включение р-п-перехода

При подаче обратного напряжения произойдет расширение области р-п-перехода, т.е. объем неподвижных зарядов  в р-п-перехода увеличится.

φ_к.о = φ_к +U

— φ_{к.о. –} контактная разность потенциалов при обратном включении  источника;

Таким образом, обратном включениир-п-перехода разность потенциалов на границах обедненного слоя (потенциальный барьер) увеличивается.

Увеличение потенциального барьера приводит к уменьшению диффузионного тока и увеличению дрейфового. Результирующий ток р-п-перехода и всей замкнутой цепи совпадает с дрейфовым током. Это ток называют обратным.

Вывод: p-n-переход включенный в обратном направлении, не пропускает электрический ток

Напомним, что диффузионный ток создается основными носителями зарядов, а дрейфовый — неосновными. Так как концентрация основных носителей на несколько порядков выше концентрации не основных, прямой ток в сотни и тысячи раз превышает обратный.

Чтобы уменьшить обратный ток, надо уменьшить количество неосновных носителей заряда. Это достигается уменьшением посторонних (не легирующих) примесей и улучшением структуры кристалла (уменьшением числа дефектов кристаллической решетки).

При об­ратном смещении через р-п-переход могут течь ток термогенерации(I_тг) и теп­ловой ток (I_o). Ток термогенерации объясняется процессом генерации пар элек­трон — дырка в области р-п-перехода. Именно эта составляющая тока объясняет рост внешнего тока при увеличении обратного напряжения, поскольку с ростом обратного напряжения возрастает ширина области р-п-перехода. Тепловой ток объясняется тем, что под действием тепла свободные носители зарядов, обла­дая запасом энергии, могут случайно попасть в p-n-переход, что и создает теп­ловой ток. Поскольку площадь сечения p-n-перехода при изменении внешнего напряжения не меняется, то тепловой ток не зависит от напряжения.

9. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

Описанные свойства p-n-перехода описываются его  вольт-амперной характеристикой, представляющей зависимость значения и направления тока от значения и полярности напряжения и описывается формулой (рис.10).

i = I_o (e^U/φt -1),

u – приложенное напряжение с учетом знака, В;

i- ток, мА;

^φt– тепловой потенциал, равный при комнатной  температуре25 мВ;

U_пр – прямое напряжение, U_о – обратное напряжение, В;

U_кр – критическое напряжение, В

I_п, I_o– прямой , обратный тепловой  ток мА,

Рис. 10. Вольт-амперная характеристика p-n-перехода

При прямом смещении знак напряжения считается положительным.

Для p-n-перехода определяется понятие пробой. При достижении обратным напряжением некоторого
критического значения (U_кр) обратный ток возрастает.
Этот режим называется пробоемp-n-перехода.

С практической точки зрения целесообразно различать два вида пробоя: электрический и тепловой

Электрический пробой вызывается совместным действием двух факторов: ударной ионизацией атомов и туннельным эффектом и подразделяется на:

Туннельный пробой наблюдается в том случае, если ширина p-n— перехода очень мала и энергия электронов в валентной зоне полупроводника р- типа равна энергии зоны проводника n-типа. При приложении небольшого прямого напряжения наблюдается пробой. Это явление используется в специ­альных туннельных диодах.

Лавинообразный пробой наблюдается при обратном смещении. При повышении обратного напряжения все внешнее напряжение оказывается при­ложенным к области р-п-перехода. Если приложенное напряжение таково, что передает значительную энергию электронам,термогенерируемым в области р- п-перехода, то свободные электроны приобретают достаточную энергию, чтобы при столкновении разрушить ковалентную связь, тем самым увеличить число электронов в p-n— переходе. Произойдет лавинообразное увеличение числа электронов, лавинообразно возрастёт внешний ток. Если внешний ток не огра­ничен, то его рост будет продолжаться до теплового пробоя диода. Если же внешний ток ограничить, то напряжение на p-n-переходе зафиксируется на оп­ределенном уровне, который не зависит от величины тока, диод бу­дет стабилизировать напряжение.

Электрический пробой неопасен для р-п-перехода: при отключении источника обратного напряжения вентильные свойства электронно-дырочного перехода полностью восстанавливаются

Тепловой пробой возникает при недостаточном охлаждении кристалла. В этом случае температура p-n— перехода повышается, что приводит к увеличению генерации носителей зарядов, увеличению тока и даль­нейшему повышению температуры. В конечном счете кристалл разрушается. Для борьбы с тепловым про­боем полупроводниковые приборы снабжаются устрой­ствами, повышающими теплоотдачу. Тепловой пробой приводит к разрушению кристалла и является аварийным режимом.

Электронно-дырочный переход составляет основу полупроводникового прибора.