Структура и свойства электронно-дырочного перехода

Полупроводниковые компоненты

Полупроводниковыми компонентами электронных устройств называются компоненты, состоящие из нескольких полупроводников, имеющих разные свойства. К полупроводникам относятся материалы, которые при комнатной температуре имеют удельное электрическое сопротивление от до (германий, кремний, арсенид галия и др.).

Структура и свойства электронно-дырочного перехода

Электрические свойства полупроводников зависят от содержания в них атомов примесей, а также от различных дефектов кристаллической решетки: пустых узлов решетки, атомов или ионов, находящихся между узлами решетки и т.д. Примеси бывают акцепторные и донорные.

Атомы акцепторных примесей способны принимать извне один или несколько электронов, превращаясь при этом в отрицательный ион. Если, например, в четырехвалентный атом германия (Ge) (рис. 1.15,а) ввести трехвалентный атом индия (In), то образуется ковалентная связь между индием и четырьмя соседними атомами германия и получается устойчивая восьми электронная оболочка за счет дополнительного электрона, отобранного у одного из атомов германия. На месте ушедшего электрона образуется дырка (рис 1.15,б). Следовательно, в таком полупроводнике будет преобладать дырочная электропроводность, а сам полупроводник будет называться полупроводником р-типа.

Атомы донорных примесей имеют пять валентных электронов, слабо связанных со своим ядром (рис. 1.15,в). Пятый электрон, не участвуя в межатомных связях, может легко перейти в зону проводимости материала, в который была введена примесь. В таком полупроводнике преобладает электронная электропроводность, а полупроводник носит название полупроводника n-типа.

Электронно-дырочным переходом называется область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой - дырочную проводимость. Технологический процесс создания электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление, диффузия одного вещества в другое, эпитаксия - ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого и др. По конструкции электронно-дырочные переходы могут быть симметричными и несимметричными, резкими и плавными, плоскостными и точечными и др. Однако, для всех типов переходов основным свойством является несимметричная электропроводность, при которой в одном направлении кристалл пропускает ток, а в другом - не пропускает.

На рис. 1.16 показано устройство электронно-дырочного перехода. Одна часть этого перехода имеет электронную проводимость (n-область), а другая - дырочную проводимость (р-область). Концентрация электронов в одной части и концентрация дырок в другой значительно отличаются. Кроме того, следует отметить, что в обеих частях имеется небольшая концентрация неосновных носителей (возникающих под действием тепловой энергии).

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется область неподвижного объемного заряда, ширина которой не превышает нескольких микрометров. Эта область, лишенная подвижных носителей заряда и поэтому обладающая высоким электрическим сопротивлением, носит название запирающего слоя. Запирающий слой определяет контактную разность потенциалов - потенциальный барьер, величина которого зависит от концентрации примесей в полупроводниках

, (1.22)

и равна 0,6…0,7 В – для кремния, 0,2…0,4 В – для германия. Здесь - тепловой потенциал, , - концентрации электронов и дырок в n- и р-областях, - концентрация носителей в полупроводнике без примесей. Возникшая контактная разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле , препятствующее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В то же время электроны могут свободно двигаться из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, точно также как дырки из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа. Таким образом, контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей. Переход неосновных носителей из одной области в другую вызывает обратный ток или ток насыщения .

Если к р-n-переходу приложить внешнее напряжение, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью , совпадающее по направлению с собственным полем напряженностью (рис. 1.17,а), то это приведет лишь к расширению запирающего слоя и увели
чению напряженности собственного поля , так как отведет от

контактной зоны и положительные и отрицательные носители заряда. При этом сопротивление р-n-перехода останется большим, а ток через него будет равен обратному току (рис. 1.17,в). В этом случае р-n-перехода находится в закрытом состоянии.

При противоположной полярности источника напряжения (рис. 1.17,б), когда внешнее электрическое поле направлено навстречу собственному полю, толщина запирающего слоя уменьшается. При этом сопротивление р-n-перехода резко снижается и при возникает сравнительно большой ток. Ток при этом называется прямым , а переход – открытым (рис. 1.17,в).

Прямой ток и дифференциальное сопротивление р-n-перехода определяются по выражению:

, (1.23)

, (1.24)

где - напряжение на р-n-переходе.

Предельное значение напряжения на р-n-переходе при прямом смещении не превышает контактной разности потенциалов . Обратное напряжение ограничивается пробоем р-n-перехода – резким увеличением неосновных носителей заряда. В зависимости от причин, вызывающих появление дополнительных неосновных носителей заряда, различают электрический пробой и тепловой пробой. Электрический пробой, в свою очередь бывает лавинным и туннельным.

Лавинный пробой обусловлен лавинным размножением неосновных носителей в р-n-переходе в результате ударной ионизации атомов быстрыми носителями заряда. Процесс лавинного размножения происходит следующим образом. Неосновные носители заряда, поступающие в р-n-переход при действии обратного напряжения, ускоряются электрическим полем и сталкиваются с атомами кристаллической решетки, при этом валентные электроны отрываются от атомов. Образующиеся дополнительные пары носителей заряда - электроны и дырки, ускоряясь полем, при столкновении с другими атомами также создают дополнительные носители заряда. Описанный процесс носит лавинный характер. При лавинном пробое р-n-перехода ток через переход неограниченно возрастает при неизменном напряжении на нем (рис. 1.17,в).

При туннельном пробое сильное электрическое поле вызывает непосредственный отрыв валентных электронов от атомов кристаллической решетки. Образующиеся при этом дополнительные носители заряда увеличивают обратный ток через р-n-переход. Туннельный пробой, как и лавинный, сопровождается появлением практически вертикального участка на обратной ветви вольт-амперной характеристики р-n-перехода и является обратимым процессом, т.е. процессом не выводящем переход из строя.

Тепловой пробой – необратимый процесс, возникающий за счет термогенерации носителей в р-n-переходе. Увеличение числа носителей заряда за счет повышения температуры вызывает увеличение обратного тока и, следовательно, еще больший разогрев перехода. Процесс заканчивается расплавлением р-n-перехода.

Полупроводниковый р-n-переход имеет емкость, которая, в общем случае, определяется как отношение приращения заряда на переходе к приращению падения напряжения на нем, т.е.

. (1.25)

Емкость перехода зависит от значения и полярности внешнего приложенного напряжения. При обратном напряжении на переходе эта емкость называется барьерной и определяется по формуле

, (1.26)

где - значение барьерной емкости при .

Теоретически барьерная емкость существует и при прямом напряжении на р-n-переходе (рис. 1.18), однако она шунтируется низким дифференциальным сопротивлением. При прямом смещении р-n-перехода значительно большее влияние оказывает диффузионная емкость, зависящая от значения прямого тока и времени жизни неосновных носителей :

. (1.27)

Полная емкость перехода при прямом смещении определяется суммой барьерной и диффузионной емкостей

. (1.28)

При обратном смещении перехода диффузионная емкость отсутствует и полная емкость состоит только из барьерной:

. (1.29)