Формирование р-п-перехода

Электронно-дырочным переходом, или р-п-переходом, называют переходный слой, возникающий при контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности.

Получить р-п-переход непосредственным соприкосновением двух полупроводников практически невозможно, так как на их поверхности содержится огромное количество примесей, загрязнений и всевозможных дефектов, резко меняющих свойства полупроводника.

Для создания р-п-переходов используют различные технологические приемы, изменяющие тип электропроводности той или иной области монокристалла:

1-й способ - путем диффузии в монокристалл р-типа донорных примесей можно получить в нем область п-типа (рис. 1.61, а), расположенную левее сечения х₀.

2-й способ - выращивание на поверхности кристалла монокристаллического слоя, повторяющего кристаллографическую ориентацию кристалла, но имеющего противоположный тип электропроводности (рис. 1.61, б), такие слои называют эпитаксиальными.

Границу х₀, разделяющую п- и р-области монокристалла, называют металлургической границей. Если на границе раздела концентрация примесей скачком изменяется от N_d к N_a, (например, при эпитаксиальном наращивании слоев), то такой переход называют резким. Если вблизи металлургической границы концентрация примеси изменяется плавно, что имеет место при диффузии примеси, то такой переход называют плавным.

Если п- и р-области каким-либо образом разделены, то их энергетические диаграммы имеют вид:

В этом случае уровни Ферми разнесены на величину Е_по = E_Fn - Е_F_р.

Уровень Ферми – энергетический уровень, который при абсолютном нуле температур разделяет полностью заполненные квантовые состояния от полностью незаполненных.

2.Р-п-переход при отсутствии внешнего напряжения.

При осуществлении металлургического контакта между п- и р-областями (рис. 1.62,6) вследствие различия концентраций однотипных носителей заряда возникают диффузионные потоки электронов из п-области в р-область и дырок из р-области в п-область.

При этом п-область заряжается положительно, а р-область отрицательно, что приводит к понижению всех энергетических уровней, в том числе и уровня Ферми в п-области, и повышению их в р-области.

Диффузия электронов слева направо и дырок справа налево происходит до тех пор, пока постепенно поднимающийся уровень Ферми в р-области не установится на одной высоте с постепенно опускающимся уровнем Ферми в п-области.

В результате энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 1.62, в, при этом на границе раздела образуется энергетический барьер, высота которого равна разности уровней Ферми в неконтактируемом состоянии полупроводников:

Следствием диффузионного перемещения электронов и дырок является уменьшение их концентрации вблизи границы раздела х₀ (рис. 1.62, г), в результате чего между сечениями х„ и х_р образуется обедненный подвижными носителями заряда слой, в котором расположены положительные заряды доноров и отрицательные заряды акцепторов (рис. 1.62, д).

Электроны (и дырки), находясь в хаотическом движении, способны перемещаться через электронно-дырочный переход из одной области полупроводникового кристалла в другую, создавая потоки носителей заряда, обозначенные на рис. 1.62 цифрами от 1 до 4.

Потоки 1 и 3 называют потоками основных носителей заряда (ПОН), потоки 2 и 4 — потоками неосновных носителей заряда (ПНН).

Для ПОН поле в переходе является тормозящим. Поэтому переходить из п-области в р-область могут только те электроны, энергия которых выше , и, соответственно, переходить из р-области в п-область могут только те дырки, энергия которых ниже уровня .

Для ПНН поле в переходе является ускоряющим, поэтому все неосновные носители заряда способны перемещаться из одной области в другую. При отсутствии на переходе внешнего напряжения ПОН и ПНН уравновешивают друг друга, поэтому ток через переход равен нулю.

Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина п - р-перехода уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из п-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в п-область.

При постоянной температуре п - р-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

3.Р-п-переход при прямом напряжении.

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-типа (рис. 2.2, а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямым. Действие прямого напряжения , вызывающее прямой ток через переход, поясняется потенциальной диаграммой на рис. 2.2, б.

Электрическое поле, создаваемое в р-п-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Это показано на рисунке векторами . Результирующее поле становится слабее, и разность потенциалов в переходе уменьшается, т. е. высота потенциального барьера понижается, возрастает диффузионный ток, так как большее число носителей может преодолеть пониженный барьер. Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа неосновных носителей, попадающих за счет своих тепловых скоростей на р-п-переход из п- и р-областей. Если пренебречь падением напряжения на сопротивлении областей п и р, то напряжение на переходе можно считать равным . Для сравнения на рис. 2.2,б штриховой линией повторена потенциальная диаграмма при отсутствии внешнего напряжения. Как известно, в этом случае токи равны и компенсируют друг друга.

При прямом напряжении ,и поэтому полный ток через переход, т. е. прямой ток, уже не равен нулю:

Введение носителей заряда через пониженный под действием прямого напряжения потенциальный барьер в область, где эти носители являются неосновными, называется инжекцией носителей заряда. Слово «инжекция» означает «введение, впрыскивание». Область полупроводникового прибора, из которой инжектируются носители, называется эмиттерной областьюили эмиттером. А область, в которую инжектируются неосновные для этой области носители заряда, называется базовой областьюили базой. Таким образом, если рассматривать инжекцию электронов, то п-область является эмиттером, а р-область — базой. Для инжекции дырок, наоборот, эмиттером служит р-область, а базой — п-область.

Обычно концентрация примесей, а следовательно, и основных носителей в п- и р-областях весьма различна. Поэтому инжекция электронов из области с более высокой концентрацией основных носителей преобладает. Соответственно этому области и называют «эмиттер» и «база».

При прямом напряжении не только понижается потенциальный барьер, но также уменьшается толщина запирающего слоя (d_np < d) и его сопротивление в прямом направлении становится малым (единицы — десятки Ом).

Поскольку высота барьера при отсутствии внешнего напряжения составляет несколько десятых долей вольта, то для значительного понижения барьера и существенного уменьшения сопротивления запирающего слоя достаточно подвести к р-п-переходу такое же прямое напряжение (десятые доли вольта). Поэтому большой прямой ток можно получить при очень небольшом прямом напряжении.

Очевидно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер в р-п-переходе. Тогда сопротивление перехода, т. е. запирающего слоя, станет близким к нулю и им можно будет пренебречь. Прямой ток в этом случае возрастет и будет зависеть только от сопротивления п- и р-области.

Рассмотрим еще характер прямого тока в разных частях цепи (рис. 2.2, а). Электроны из п-области движутся через переход в р-область, а навстречу им из р-области в п-область перемещаются дырки, т. е. через переход протекают два тока: электронный и дырочный. Во внешних проводниках, конечно, движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника к п-области и компенсируют убыль электронов, диффундирующих через переход в р-область. А из р-области электроны уходят по направлению к плюсу источника, и тогда в этой области образуются новые дырки. Такой процесс происходит непрерывно, и, следовательно, непрерывно протекает прямой ток.

У левого края области электронный ток имеет наибольшее значение. По мере приближения к переходу этот ток уменьшается, так как все большее число электронов рекомбинирует с дырками, движущимися через переход навстречу электронам, а дырочный ток , наоборот, увеличивается. Полный прямой ток в любом сечении, конечно, один и тот же:

Это следует из основного закона последовательной электрической цепи: во всех частях такой цепи ток всегда одинаков.

Так как толщина перехода очень мала и он обеднен носителями, то в нем рекомбинирует мало носителей и ток здесь не изменяется. А далее электроны, инжектированные в р-область, рекомбинируют с дырками. Поэтому по мере удаления от перехода вправо в р-области ток продолжает уменьшаться, а ток увеличивается. У правого края р-области ток наименьший, а ток наибольший.

На рисунке 2.3 показано изменение этих токоввдоль оси х для случая, когда ток преобладает над током , вследствие того что и подвижность электронов больше подвижности дырок. Конечно, при прямом напряжении кроме диффузионного тока есть еще ток дрейфа, вызванный движением неосновных носителей. Но если он очень мал, то его можно не принимать во внимание.

4.Р-п-переход при обратном напряжении.

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным - к области р (рис. 2.4, а).

Под действием такого обратного напряжения через переход протекает очень небольшой обратный ток , что объясняется следующим образом.

Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов. На рис. 2.4, а это показывают одинаковые направления векторов . Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна (рис. 2.4, б).

Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, т. е. , так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на п - р-переход из п- и р-об-ластей. Выведение неосновных носителей через п - р-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей заряда(слово «экстракция» означает «выдергивание, извлечение»).

Таким образом, обратный ток представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев вглубь п- и р-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (d_o₆_p > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, к его сопротивление значительно возрастает, т. е. .

Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает, и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.

5.Вольт-амперная характеристика р-п-перехода

Аналитически ток через р-п-переход при подключении внешнего напряжения (минус на п-область, плюс – на р-область) в прямом направлении определяется выражением:

где - диффузионный ток через р-п-переход при нулевом внешнем напряжении, обусловленный диффузией электронов из п-области в р-область и диффузией дырок из р-области в п-область, при этом