p–n переход и его электрические свойства

Электронно-дырочный переход (p–n переход).

    Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n - перехода) - зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости. 

    Электронно-дырочный переход - это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область.

    Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)

    Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.

    Если полупроводники  с разными типами проводимости  привести  в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность  занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.

    Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении. В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный  подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области - отрицательные ионы акцепторных атомов. Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом.

Потенциальный барьер в p-n переходе.

    Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Свойства p-n перехода при прямом включении.

Свойства p-n перехода при обратном включении.

    Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

    Однако, кроме зависимости возникшего тока от внешней энергии, например, источника питания или фотонов света, которая используется в ряде полупроводниковых приборов, существует термогенерация. При этом концентрация собственных носителей заряда резко уменьшается, следовательно, и I_ОБР тоже.Таким образом, если переход подвергнуть воздействию внешней энергии, то появляется пара свободных зарядов: электрон – дырка. Любой носитель заряда, рожденный в области объемного заряда p–n перехода, будет подхвачен электрическим полем E_ВН и выброшен: электрон – в n–область, дырка – в p– область. Возникает электрический ток, который пропорционален ширине области объемного заряда. Это вызвано тем, что чем больше E_ВН, тем шире область, где существует электрическое поле, в котором происходит рождение и разделение носителей зарядов. Как было сказано выше, скорость генерации носителей зарядов  в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, существующих в материале.

    По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

    Вольт-амперная характеристика (ВАХ) являет­ся графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напря­жения I=f(U). Вольт-амперная характе­ристика р-n перехода при пря­мом и обратном включе­нии приведена ниже.

    Она состоит из прямой (0-А) и обратной (0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока, а на оси абсцисс — значения прямого и обратного напряжения. 

    Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью со­средотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения — прямое и обрат­ное.

    При прямом включении (рис. справа - верх) внешнее элект­рическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полиостью ос­лабляет его, снижает высо­ту потенциального барьера (Rпр). При обратном включении (рис. справа - низ) элект­рическое поле совпадает по направлению с полем  р-п перехода и приводит к росту потенциального барьера (Rобр). 

    ВАХ p-n перехода описывает­ся аналитической функцией:

где

    U — приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;

    Iо = Iт — обратный (тепловой) ток р-п перехода;

    — температурный потенциал, где k - постоянная Больцмана, q - элементарный заряд  (при T = 300К, 0,26 В).

    При прямом напряжении (U>0) - экспоненциальный член быстро возрастает [], единицей в скобках можно пренебречь и считать . При обратном напряжении (U<0) экспоненциальный член стремится к нулю, и ток через переход практически равен обратному току; Ip-n = -Io.

Пробой p–n перехода.

    Пробоем называют резкое изме­нение режима работы перехода, находящегося под обрат­ным напряжением.

Характерной особенностью этого из­менения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода (Rдиф). Соответствующий участок вольт-ампер­ной характеристики изображен на рисунке справа (обратная ветвь). После начала пробоя незначительное увеличение об­ратного напряжения сопровождается резким увеличени­ем обратного тока. В процессе пробоя ток может увели­чиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление Rдиф оказывается отрицатель­ным).

    Пробой бывает лавинный, тунельный, тепловой. И туннельный и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.