Электронно-дырочный переход

Рассмотрим процессы, происходящие в контакте полупроводниковых материалов с различным типом проводимости. Контактная область полупроводниковых материалов получила название электронно-дырочного перехода или p-n- перехода. Работа подавляющего большинства полупроводниковых устройств основана на использовании свойств p-n- перехода и их различных комбинаций.

Будем считать, что концентрации примесей в обеих областях равны, то есть концентрации донорных и акцепторных примесей равны . Также считаем, что при комнатной температуре все примесные атомы активированы, а также в каждой из областей происходит генерация пар зарядов за счет возможных разрывов ковалентных связей, что приводит к существованию некоторого количества не основных носителей зарядов для каждой из области.

Зонные диаграммы контактирующих полупроводников представлены на рисунке 1.3.1.

Рис. 1.3.1. Зонные диаграммы контактирующих полупроводников

Здесь обозначены уровни акцепторов, уровни доноров и положение уровня Ферми. В полупроводниковых материалах работа выхода электрона отсчитывается от уровня Ферми. Для полупроводника p- типа работа выхода электрона определим как , и для полупроводника n -типа как .

Согласно принципу электрической нейтральности, данные основные и Не основные носители образуют их равновесную концентрацию.

Рис. 1.3.2. Диффузионное движение зарядов в результате контакта между двумя полупроводниками

При образовании контакта между двумя полупроводниками наблюдается различная концентрации одноименных носителей заряда по обе стороны контакта, рис. 1.3.2., следовательно, существует градиент концентрации, отличный от нуля. В результате возникает диффузионное движение зарядов – дырки движутся из p- области в n- область, а электроны – из n -области в p -область. В данном диффузионном движении принимают участие заряды, находящиеся по обе стороны контакта на величину не превышающую среднюю диффузионную длину для соответствующих зарядов.

Рис. 1.3.3. Нарушение электрической нейтральности материала

Пришедшие заряды рекомбинируют с основными носителями для данной области.

В результате в пограничном слое протяженностью нарушается условие электрической нейтральности материала – в p -области остаются не скомпенсированные отрицательные заряды неподвижных ионов акцепторов, в n -области – не скомпенсированные положительные заряды неподвижных ионов доноров (рис. 1.3.3.).

Градиенты концентрации основных носителей за пределами контактирующего слоя останутся неравными нулю. Присутствие в пограничном слое не скомпенсированных неподвижных зарядов свидетельствует об образовании потенциального барьера.

Рис. 1.3.4. Потенциальный барьер контактирующих полупроводников

Наличие потенциального контактного барьера препятствует процессу установления равновесия концентраций (рис. 1.3.4.). Величина потенциального барьера равна контактной разности потенциалов: .

В контактном слое возникает электрическое поле, напряженность которого, определяемая как скорость изменения потенциала.

Рис. 1.3.5. Развитие диффузного движения основных носителей зарядов

Напряженность поля растет по мере развития диффузного движения основных носителей зарядов (рис. 1.3.5.). Вектор напряженности электрического поля направлен так, что электрическое поле препятствует диффузионному движению основных носителей заряда, то есть развитию того процесса, в результате которого возникло само поле.

С ростом поле интенсивность движения основных носителей заряда через переход снижается: все большее их количество возвращается полем от границы раздела обратно в свои области.

Одновременно действием электрического поля возникает дрейф через переход не основных носителей заряда: дырок из n -области в p- область и электронов из p -область. Дырки и электроны не основных носителей движутся через переход в противоположных направлениях и создают единый дрейфовый ток.

Аналогично в противоположных направлениях движутся и основные носители, создавая диффузионный ток.

Равновесие на переходе наступит тогда, когда ток через переход станет равным нулю, то есть диффузионный ток будет скомпенсирован встречным дрейфовым током (рис. 1.3.6.).

Рис. 1.3.6. Равновесие диффузионного тока и встречного дрейфового тока

Поскольку суммарный ток через переход равен нулю, в системе установится единый уровень Ферми.

Ширина запирающего слоя определяется выражением

где -диэлектрическая проницаемость материала полупроводника и диэлектрическая постоянная соответственно.

То есть ширина запирающего слоя определяется контактной разностью потенциалов и концентрациями основных носителей в полупроводнике.

Рассмотрим прямое включение внешнего источника электропитания к электронно-дырочному переходу.

Пусть к электронно-дырочному переходу подключен внешний источник постоянного электропитания напряжением U. Полагаем также, что сопротивление контактного слоя значительно превосходит сопротивление контактирующих полупроводников. Это позволяет считать, что все внешнее электрическое поле приложено непосредственно к контактному слою. Если полярность внешнего источника такова, что внешнее поле направлено противоположно электрическому полю контакта, то такое включение называют прямым включением (рис. 1.3.7.).

Рис. 1.3.7. Прямое включение электронно-дырочного перехода

При прямом включении потенциальный барьер на переходе уменьшается до величины .

В результате понижения потенциального барьера и наличия в области контакта градиента концентрации основных носителей, электрическая нейтральность контактного слоя нарушается () и через переход будет протекать диффузионный ток основных носителей – дырок из p- области в n -область и электронов из -области в -область.

Процесс движения основных носителей через переход в ту область, где они являются не основными, получил название инжекции неосновных носителей.

Область полупроводника, являющаяся источником неосновных и ее назначение инжекция носителей, получила название эмиттера, а область, принимающая неосновные для нее носители – получила название базы.

Уменьшению потенциального барьера соответствует уменьшение ширины запирающего слоя (см выражение для ширины запирающего слоя)

Уменьшение потенциального барьера и уменьшение сопротивления контактного слоя позволяет получить большие значения прямого тока при очень малых значениях прямого напряжения (несколько десятых вольта). Очевидно, что при некотором прямом напряжении можно вообще уничтожить потенциальный барьер. В данном случае сопротивление прямому току будет определяться сопротивлением тела полупроводника.

Вследствие диффузии основных носителей к приконтактном слое образуется неравновесная концентрация неосновных носителей – дырок в n -области и электронов в p -области. Эти носители могут подхватываться внешним полем и перемещаться через переход, создавая ток дрейфа. Направления диффузионного тока и тока дрейфа через переход противоположны по направлению, результирующий ток через переход запишем

.

При больших значениях прямого напряжения ток диффузии значительно больше тока дрейфа и последним можно пренебречь. Следствием этих процессов является возрастание прямого тока при увеличении прямого напряжения (при больших значениях - по экспоненциальному закону).

Рассмотрим обратное включение внешнего источника электропитания к электронно-дырочному переходу (рис. 1.3.8.).

Рис. 1.3.8. Обратное включение электронно-дырочного перехода

Потенциальный барьер на переходе возрастает до величины . Основные заряды для каждой из контактирующих областей полупроводника под действием поля перемещаются от контакта вглубь соответствующих областей. В области контакта возникает пониженная концентрация неосновных носителей.

Воздействие суммарного электрического поля также приводит к нарушению электрического равновесия в контакте (условие электрической нейтральности ).

Наличие градиента неосновных носителей вызовет их движение из толщи полупроводника в область контакта, тем самым образуется диффузионный ток неосновных носителей. Данный процесс получил название экстракции неосновных носителей заряда.

В результате через переход течет ток, обязанный перемещению (диффузии) через переход неосновных носителей: дырок из n- области в p -область; электроновиз p -области в n- область и электронов.

Увеличение величины потенциального барьера приводит к увеличению ширины запирающего слоя (см. формулу для ширины потенциального барьера - подстановка )

При увеличении внешнего запирающего напряжения на переходе возрастает напряженность электрического поля. Однако ток через переход практически не изменяется, так как обратный ток через переход обязан диффузии неосновных носителей, вызванной градиентом их концентрации. Градиент концентрации никак не зависит от ширины запирающего слоя и

электрического поля, он определяется только концентрацией неосновных носителей в соответствующих областях.

Поэтому ток, текущий через контакт при обратном включении внешнего источник, называется обратным током насыщения I ₀.

Величина обратного тока насыщения может возрасти лишь при увеличении концентрации неосновных носителей, что возможно при увеличении температуры. Поэтому обратный ток также называют тепловым током.