В большинстве полупроводниковых приборов используются кристаллы полупроводника с двумя и более участками (слоями) с различным током проводимости (n и p). При получении двухслойной структуры со слоями n и р-типа обычно концентрация примесей в слоях несимметрична: Na>>Nд либо Nд>>Nа. Один из слоев имеет более высокую концентрацию основных носителей и большую электропроводность: например, на рис. 1 показана двухслойная структура, где Na>>Nд, Рр>>Nn.
рис.1.
Область полупроводника, расположенная вблизи металлургической границы между р и n слоями, называется электронно-дырочным переходом или р-n переходом…
1. Рассмотрим процессы в р-n переходе в отсутствие внешнего электрического поля (рис. 1. а).
Из-за разности концентраций основных носителей в р и n-слоях происходит процесс диффузии через переход носителей заряда из области с повышенной в область с пониженной концентрацией носителей. При этом основные носители в р-области — дырки — диффундируют в n-слой, а основные носители n-слоя — электроны — диффундируют в р-слой. Диффузионный ток через переход Iдиф = Iдиф р + Iдиф n ≈ Iдиф р, так как в рассматриваемом примере Pp>>Nn.
Перейдя под воздействием сил диффузии металлургическую границу, носители рекомбинируют с основными носителями другого слоя. За счет ухода основных носителей из одного слоя и их рекомбинации в другом вблизи металлургической границы возникает область, обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением (запирающий слой). В запирающем слое нарушается баланс положительных и отрицательных зарядов, так как при уменьшении концентрации подвижных носителей оказывается нескомпенсированным объемный заряд неподвижных ионов примесей: в р-слоев — отрицательных, в n-слое — положительных ионов. Этот двойной электрический слой (рис. 1.а) создает электрическое поле с напряженностью Ео и приводит к появлении на кривой распределении потенциала φ в полупроводнике потенциального барьера φо.
Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя, вызывает направленное движение носителей через переход — дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионной составляющей тока через переход. Дрейфовый ток через переход Iдр = Iдр р + Iдр n.
Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и потенциального барьера, при этом растет дрейфовый ток. Рост двойного электрического слоя прекращается тогда, когда суммарный ток через переход равен нулю, т. е. Iдиф = -Iдр. Такой режим соответствует равновесному состоянию р-n перехода при отсутствии внешнего электрического поля.
Результирующий ток через переход в этом случае:
Iа = Iдиф — Iдр = Iдиф р + Iдиф n — Iдр р — Iдр n = 0
Ширина запирающего слоя в р- и n-слоях зависит от концентрации ионов примесей в слоях и тем меньше, чем больше концентрация примесей. Поэтому при рассматриваемом соотношении примесей Na>>Nд переход имеет двойной электрический слой, ширина которого в слабо легированной n-области больше (см. рис. 1.а).
2. Если двухслойный полупроводник включить в электрическую цепь (рис. 1. б) и приложить прямое напряжение Uа (плюс к р-слою, минус к n-слою), то это напряжение практически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопротивлением. Из-за встречною направления внутреннего Ео и внешнего Еа, полей результирующая напряженность поля в запирающем слое снижается и потенциальный барьер равен φ=φ-Uа.
В результате этого возрастает количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, и увеличивается диффузионная составляющая Iдиф тока через переход. Дрейфовая составляющая определяется только количеством неосновных носителей, подошедших к запирающему слою в процессе теплового движения, причем неосновные носители по прежнему втягиваются полем перехода. Поэтому дрейфовый ток неосновных носителей от приложенного напряжения не зависит. Таким образом, суммарный ток через переход Iа = Iдиф — Iдр>0. Это прямой ток p-n перехода. Потенциальный барьер φо измеряется долями вольта, поэтому для протекания прямого тока к p-n переходу достаточно приложить напряжение, измеряемое тоже долями вольта. Уменьшение результирующего поля у p-n перехода приводит к уменьшению объемного заряда и сужению запирающего слоя.
3. Обратное смещение перехода (рис. 1.в) приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое и росту потенциального барьера: φ = φо+|Ua|. Диффузия носителей через переход становится практически невозможной, поэтому ток Ia = Iдиф — Iдр = -Iдр. В этом случае поле р-n перехода втягивает все подошедшие к нему неосновные носители независимо от потенциального барьера и через переход протекает только ток неосновных носителей: ток дырок из n-области в р-слой и электронов из р в n-слой. Однако ток неосновных носителей, или обратный ток, значительно меньше прямого тока через р-n переход, так как число неосновных носителей в полупроводнике мало. Соотношение прямого и обратного токов р-n перехода позволяет говорить об однонаправленной проводимости р-n перехода, т.е. о его выпрямляющем действии.
Обратный ток неосновных носителей через переход Iобр = Iдр иногда называют тепловым током, так как он сильно зависит от температуры: при нагреве полупроводника увеличивается генерация неосновных носителей; при этом тепловой ток удваивается при нагреве на 8º у германиевых приборов или на 10º, у кремниевых приборов.
При обратном смещении р-n перехода суммарная напряженность электрического поля перехода возрастает, поэтому возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя. Этот эффект используется в некоторых типах полупроводниковых приборов.
4. Зависимость тока через р-n переход от приложенного напряжения Iа = f (Ua) называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода.
рис.2
На рис. 2.а ВАХ изображена при одинаковом масштабе по осям для положительных и отрицательных значений напряжений и токов. При малом прямом напряжении Ua, протекает большой прямой ток, при больших обратных напряжениях — малый тепловой ток. Характеристика рис. 2.а практически соответствует характеристике идеального вентиля, у которого имеют место нулевое падение напряжения при протекании прямого тока и нулевой ток при приложении обратного напряжения. Следовательно, свойства р-n перехода близки к свойствам идеального вентиля.
При необходимости учесть отличия ВАХ р-n перехода от идеальной вентильной характеристики ее строят в разных масштабах для положительных и отрицательных значений токов и напряжений (рис. 1.б, кривая 1).
Источник — Г.Н. Горбачев, Е.Е. Чаплыгин. «Промышленная электроника» 1988 г.
Загрузка...