P-n-переход и его свойства

Действие полупроводниковых приборов основано на использовании свойств полупроводников. Полупроводники занимают промежуточное положение между проводниками и диэлектриками. К полупроводникам относятся элементы IV группы Периодической системы элементов Д.И. Менделеева, которые на внешней оболочке имеют четыре валентных электрона. Типичные полупроводники – Ge (германий) и Si (кремний).

Чистые полупроводники кристаллизуются в виде решетки, рис. 75, а. Каждая валентная связь содержит два электрона, оболочка атома имеет восемь электронов, и атом находится в состоянии равновесия. Чтобы «вырвать» электрон в зону проводимости, необходимо затратить большую энергию.

Чистые полупроводники обладают высоким удельным сопротивлением (от 0,65 Ом×м до 10⁸ Ом×м). Для снижения высокого удельного сопротивления чистых полупроводников в них вводят примеси, такой процесс называется легированием, а соответствующие полупроводниковые материалы –легированными. В качестве легирующих примесей применяют элементы III и V групп Периодической системы элементов Д.И. Менделеева.

 

 

Элементы III группы имеют три валентных электрона, поэтому при образовании валентных связей одна связь оказывается только с одним электроном, рис. 75, б. Такие полупроводники обладают дырочной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются дырки. Под дыркой понимается место незанятое электроном, которому присваивается положительный заряд. Такие полупроводники также называются полупроводниками p-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался недостаток электронов, называется акцепторной.

Элементы V группы имеют пять валентных электронов, поэтому при образовании валентных связей один электрон оказывается лишним, рис. 75, в. Такие полупроводники обладают электронной электропроводностью, так как в них основными носителями заряда являются электроны. Они называются полупроводниками n-типа, а примесь, благодаря которой в полупроводнике оказался избыток электронов, называется донорной.

Удельное электрическое сопротивление легированного полупроводника существенно зависит от концентрации примесей. При концентрации примесей 10²⁰ ¸ 10²¹ на 1 см³ вещества оно может быть снижено до 5×10^-6 Ом×м для германия и 5×10^-5 Ом×м для кремния.

Основное значение для работы полупроводниковых приборов имеет электронно-дырочный переход, которыйназывают p-n-переходом (область на границе двух полупроводников, один из которых имеет дырочную, а другой – электронную электропроводность).

На практике p-n-переход получают введением в полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, при введении донорной примеси в определенную часть полупроводника p-типа в нем образуется область полупроводника n-типа, граничащая с полупроводником p-типа.

Схематически образование p-n-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности показано на рис. 76. До соприкосновения в обоих полупроводниках электроны, дырки, ионы были распределены равномерно, рис. 76, а.

При соприкосновении полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация (воссоединение) электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий высоким удельным сопротивлением, - так называемый запирающий слой рис. 76, б. Толщина запирающего слоя l обычно не превышает нескольких микрометров.

 

 

Рис. 76. Образование p-n-перехода: распределение носителей заряда в полупроводниках с различными типами электропроводности до соприкосновения (а); после соприкосновения (б)

 

Расширению запирающего слоя препятствуют неподвижные ионы донорных и акцепторных примесей, которые образуют на границе полупроводников двойной электрический слой. Этот слой определяет контактную разность потенциалов Δj_к на границе полупроводников, рис. 77. Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью E_зап, препятствующее как переходу электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа, так и переходу дырок в полупроводник n-типа. В тоже время электроны могут свободно двигаться из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, как и 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 заряда. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (дрейфовый ток I_др) происходит снижение контактной разности потенциалов, что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер, обусловленный контактной разностью потенциалов. Появляется диффузионный ток I_диф, который направлен навстречу дрейфовому току I_др, то есть возникает динамическое равновесие, при котором I_др= I_диф.

 

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение U_обр, которое создает в запирающем слое электрическое поле напряженностью Е_вн, совпадающее по направлению с полем неподвижных ионов напряженностью Е_зап, рис. 78, а, то это приведет к расширению запирающего слоя, так как носители заряда уйдут от контактной зоны. При этом сопротивление p-n-перехода велико, ток через него мал, так как обусловлен движением неосновных носителей заряда. В этом случае ток называют обратным I_обр, а p-n-переход – закрытым.

При противоположной полярности источника напряжения, рис. 78, б внешнее поле направлено навстречу полю двойного электрического слоя, толщина запирающего слоя уменьшается. Сопротивление p-n-перехода резко снижается и возникает сравнительно большой ток. В этом случае ток называют прямым I_пр, а p-n-переход – открытым.

На рис. 79 показана вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Пробой p-n-перехода связан с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда, что приводит к резкому увеличению обратного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называют лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках.

 

 

В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергии, достаточной для ударной ионизации. В таких полупроводниках возможно возникновение эффекта Зенера, когда при достижении критической напряженности электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон – дырка, и существенно возрастает обратный ток p-n-перехода.

для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому электрический пробой используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это приводит к дальнейшему увеличению обратного тока и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называют тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает p-n-переход.

В сильнолегированных полупроводниках может возникать квантово-механический туннельный эффект, который состоит в том, что при очень малой толщине запирающего слоя основные носители могут преодолевать запирающий слой без изменения энергии, что приводит к возрастанию тока на этих участках.

Закрытый p-n-переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади и ширины, а также от диэлектрической проницаемости запирающего слоя.

Свойства p-n-перехода широко используются в полупроводниковых приборах.