Электронно дырочный переход

Область внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности (р и n-типа) называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, ᴛ.ᴇ. имеет нелинœейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов. Рассмотрим картину образования p-n перехода. При этом для простоты будем считать, что p-n переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников p- и n- типов и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р — типа равны. При комнатной температуре практически всœе атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов Na равна концентрации свободных дырок рр , а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров Nd равна концентрации свободных электронов nn .

Вместе с тем, в каждой области имеется небольшое количество небазовых носителœей.

При создании p-n перехода (упрощенно – при соприкосновении областей p- и n- типов) равенство между количеством ионов и свободных носителœей заряда нарушается. Так как между областями p- и n- типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n — типа и электронов – в область р — типа. Как только дырка покинœет область р — типа, в этой области вблизи границы раздела образуется не скомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси. Объемные заряды создают электрическое поле, замедляющее процесс диффузии. Графики распределœения потенциала и апряженности поля показаны на рис.2.1.

Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объёмный слой пространственных зарядов, который называют

p-n переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, в связи с этим его удельное сопротивление велико по сравнению с областями p- и n- типов. Часто данный слой называют запирающим..

Электронно-дырочный переход (p —n-переход), область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n к дырочной p). Поскольку в р-области Э.-д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область. Однако после ухода дырок в n-области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n-области — положительно заряженные донорные атомы. Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-л. п. образуется двойной слой пространственного заряда — отрицательные заряды в р-области и положительные заряды в n -области (рис. 1). Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через Э.-д. п.; в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полный ток через Э.-д. п. равен нулю. Т. о., в Э.-д. п. существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течёт к Э.-д. п. и проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через Э.-д. п. в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если положит. потенциал приложен к р-области, то внешнее поле направлено против контактного, т. е. потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. Концентрация неосновных носителей по обе стороны Э.-д. п. увеличивается (инжекция неосновных носителей), одновременно в р- и n-области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих нейтрализацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через Э.-д. п. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает. Наоборот, приложение положит, потенциала к и-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. При этом диффузия основных носителей через Э.-д. п. становится пренебрежимо малой.

В то же время потоки неосновных носителей не изменяются, поскольку для них барьера не существует. Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через Э.-д.

п. течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения. Т. о., зависимость тока 1 через Э.-д. п. от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 2). При изменении знака напряжения ток через Э.-д. п. может меняться в 105—106 раз. Благодаря этому Э.-д. п. является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов (см. Полупроводниковый диод). Зависимость сопротивления Э.-д. п. от U позволяет использовать Э.-д. п. в качестве регулируемого сопротивления (варистора).

При подаче на Э.-д. п. достаточно высокого обратного смещения U = Uпр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток (рис. 2). Различают лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объёмного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решётки, туннельный (зинеровский) пробой, возникающий при туннелировании носителей сквозь барьер (см. Туннельный эффект), и тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода от Э.-д. п., работающего в режиме больших токов.

От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и ёмкость Э.-д. п. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между п- и р-областями полупроводника и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды являются неподвижными и связанными с кристаллической решёткой ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением ёмкости Э.-д. п. При прямом смещении к ёмкости слоя объёмного заряда (называется также зарядной ёмкостью) добавляется т. н. диффузионная ёмкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на Э.-д. п. приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, т. е. к изменению заряда. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать Э.-д. п. в качестве варактора — прибора, ёмкостью которого можно управлять, меняя напряжение смещения (см. Параметрический полупроводниковый диод).

Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости ёмкости от напряжения, Э.-д. п. находит многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Их концентрация существенно изменяется при различных внешних воздействиях — тепловых, механических, оптических и др. На этом основаны различного рода датчики: температуры, давления, ионизирующих излучений и т. д. Э.-д. п. используется также для преобразования световой энергии в электрическую (см. Солнечная батарея).

Э.-д. п. являются основой разного рода полупроводниковых диодов, а также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы — транзисторы, тиристоры и т. д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в Э.-д. п. используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах.

Э.-д. п. может быть создан различными путями: 1) в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (р-область), а в другой — акцепторной (n-область); 2) на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости (см. Полупроводниковый гетеропереход); 3) вблизи контакта полупроводника с металлом, если ширина запрещенной зоны полупроводника меньше разности работ выхода полупроводника и металла; 4) приложением к поверхности полупроводника с электронной (дырочной) проводимостью достаточно большого отрицательного (положительного) потенциала, под действием которого у поверхности образуется область с дырочной (электронной) проводимостью (инверсный слой).

Если Э.-д. п. получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник (например, акцепторной примеси в кристалл с проводимостью n-типа), то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий Э.-д. п.). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный Э.-д. п. Плавные Э.-д. п. можно получать также выращиванием монокристалла из расплава, в котором постепенно изменяют содержание и характер примесей. Получил распространение метод ионного внедрения примесных атомов, позволяющий создавать Э.-д. п. заданного профиля.

Лит.: Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967; Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965; Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, 2 изд., М., 1970; СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение, пер. с англ., М., 1972; Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977.

Э. М. Эпштейн.

Рис. 1. Схема p-n-перехода: чёрные кружки — электроны; светлые кружки — дырки.

Рис. 2. Вольтамперная характеристика р — n-перехода: U — приложенное напряжение; I — ток через переход; Is — ток насыщения; Unp — напряжение пробоя.

Область внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности называют электронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Такие переходы изготовляют сложными технологическими приемами путем внесения примеси определенного типа (например, n-типа) в полупроводник с незначительным количеством примеси противоположного типа (р-типа). Свойства р-n-перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Рассмотрим картину образования р-n-перехода. При этом для простоты будем считать, что р-n- переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников р- и n-типов, и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р-типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов равна концентрации свободных дырок , а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров равна концентрации свободных электронов . Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей. При создании р-n-перехода (упрощенно – при соприкосновении областей р- и n-токов) равенство между количеством ионов и свободных носителей заряда нарушается. Так как между областями р- и n-типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n-типа и электронов – в область р-типа.

Как только дырка покинет область р-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси (рис. 1.11, одинарный кружок – свободные заряды; закрашенный – ионы). Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют р-n-переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р- и n-типов. Часто этот слой называют запирающим. Однако надо отметить, что концентрация подвижных носителей в р-n-переходе изменяется плавно и существенно обеднен подвижными носителями заряда только средний слой перехода, где их концентрация примерно на несколько порядков меньше. Поэтому обедненный, или запирающий, слой несколько уже p-n-перехода.

Рис. 1.11. Электронно–дырочный переход

Мы исходили из того, что области р- и n-типов имеют одинаковую концентрацию примесей. В этом случае размеры и переходов равны. Объемные заряды по обе стороны границы раздела полупроводников имеют разные знаки и создают электрическое поле р-n-перехода. Это поле напряженностью Е направлено в сторону от положительно заряженного слоя к отрицательно заряженному, т.е. от области n-типа к области р-типа.

Оно является тормозящим для основных носителей и препятствует дальнейшему диффузионному перемещению основных носителей через р-n-переход, стремясь возвратить дырки в область р, а электроны – в область n. На рис. 1.12 показано изменение напряженности поля Е и его потенциала вдоль оси х, перпендикулярной плоскости перехода, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Из рисунка видно, что в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, равный контактной разности потенциалов , которую называют высотой потенциального барьера.

Рис. 1 .12. Изменение напряженности поля Е и его потенциала вдоль оси х

Рассмотрим образование потенциального барьера с точки зрения зонной теории твердого тела (рис. 1.13). При контакте полупроводников р- (область 3) и n-типов (область 1) образуется единая система, уровень Ферми в которой является общим для обеих областей (при условии термодинамического равновесия и в отсутствие внешнего электрического поля). На границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны (сечение на границе обладает собственной электропроводностью).

Рис. 1.13. Образование потенциального барьера

Поскольку в области n-типа уровень Ферми находится недалеко от дна зоны проводимости (I), а в области р-типа – недалеко от потолка валентной зоны (II), энергетические зоны смещаются относительно друг друга и в области р-n-перехода (область 2) образуется потенциальный барьер, высота которого

, (1.2)

где – минимальная энергия, которую нужно дополнительно сообщить электрону (или дырке) для того, чтобы он (она) мог перейти в смежную область; q –заряд электрона.

На высоту потенциального барьера влияет концентрация примесей. Если увеличить концентрацию, уровень Ферми в области n-типа приблизится к дну зоны проводимости, в области р-типа – к потолку валентной зоны. В этом случае энергия , а следовательно, и потенциальный барьер увеличатся (в предельном случае будет приблизительно равна ширине запрещенной зоны).

Если концентрацию примесей уменьшить, уровень Ферми сместится к середине запрещенной зоны, энергия , а следовательно, и высота потенциального барьера уменьшатся. Потенциальный барьер р-n-переходов, образованных в германии, равен 0,3-0,4 В, в кремнии – 0,7-0,8 В.

Электронно-дырочный p-n переход и его основные свойства

⇐ ПредыдущаяСтр 120 из 148Следующая ⇒

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ

по дисциплине «Электроника и микропроцессорная техника» для специальности ТМЗ

Могилев, 2007

Раздел 1. Полупроводниковые приборы

Электронно-дырочный p-n переход и его основные свойства.

Электропроводность твердых тел объясняется движением свободных электронов, т.е. электронов, утративших валентную связь с ядрами атомов. По электропроводности все вещества условно принято делить на проводники, полупроводники и диэлектрики.

Полупроводниковые материалы делятся на собственные (беспримесные) и примесные. При температуре 0˚К электроны в полупроводниках отсутствуют, и они являются диэлектриками. Для того чтобы в полупроводнике образовались свободные электроны, его кристалл необходимо нагреть или осветить, т.е. затратить для разрыва ковалентных связей некоторое количество энергии, подведенной извне.

Нарушение ковалентной связи приводит к одновременному образованию свободного электрона и дырки. В чистом полупроводнике количество свободных электронов равно числу дырок , где n – число электронов, p- число дырок. Процесс образования электронно-дырочных пар при повышении температуры называется термогенерацией, а обратный процесс — рекомбинацией носителей зарядов.

Дырка, как и свободный электрон, совершает хаотическое движение в кристалле полупроводника и ведет себя подобно частице с положительным элементарным зарядом. При внесении кристалла полупроводника в электрический ток, движение электронов и дырок упорядочивается. Они начинают двигаться в противоположных направлениях. Поэтому различают электропроводности электронную n–типа и дырочную p–типа.

Ток в кристалле полупроводника состоит из двух составляющих: дрейфового Iдр и диффузионного токов Iдиф.

Дрейфовый ток в кристалле возникает в виде упорядоченного движения электронов и дырок под действием внешнего электрического поля Е. Он имеет электронную и дырочную составляющие Iдр= In др+I p др.

Диффузионный ток создается за счет разности концентрации носителей движением заряженных частиц из областей кристалла с повышенной концентрацией в область, обедненную носителями, и также имеет электронную и дырочную составляющие Iдиф= In диф+I p диф

Характер токопрохождения и величина тока зависят от полярности и величины приложенного напряжения. Если «+» подключен к контакту слоя p, а «-» к контакту слоя n, то напряжение на переходе понизится, равновесие между Iдр и Iдиф нарушится и через переход будет протекать прямой ток.

Если полярность источника питания изменить на обратную, то через p-n-переход могут пройти только неосновные носители зарядов. Направление тока этих зарядов противоположно направлению прямого тока, поэтому его называют обратным током. Его величина мала, т.к. число неосновных носителей очень невелико.

Для изготовления полупроводниковых приборов применяют примесные (легированные) полупроводники, обладающие, в отличие от чистых, значительно большей электропроводностью. В зависимости от рода примесей в полупроводнике в них преобладает либо электронная, либо дырочная электропроводность.

При легировании 4-хвалентного элемента (Si кремний или Ge германий) 5-тивалентным (Sb сурьма, As мышьяк, P фосфор) – донорная примесь — число свободных электронов превышает число дырок. Такой полупроводник обладает электронной проводимостью и является полупроводником n–типа.

При легировании кристалла Si кремния или Ge германия примесью 3-хвалентного элемента (B бор, In индий, Al алюминий) – акцепторная примесь — число свободных дырок превышает число электронов. Такой полупроводник обладает дырочной проводимостью и является полупроводником p–типа.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании p-n-перехода. Физически это приконтактный слой толщиною в несколько микрон разновесных кристаллов.

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение, то под его действием в цепи возникнет электрический ток. При больших обратных напряжениях наблюдается скачкообразное увеличение обратного тока. Это явление называется пробоем p-n-перехода, а соответствующее ему напряжение – напряжением пробоя.

— — — + — + + — n — + — p — — — + — + +

p-n переход дырки

ē ионы

ВАХ p-n-перехода

p-n переход — область высокого сопротивления, потому что не имеет подвижных зарядов.

Т.о. полупроводниковые диоды обладают односторонней проводимостью.

Напряжение смещенного p-n-перехода кремниевого диода = 0,6 В.

Различают электрический (лавинный, туннельный) и тепловой пробои.

Электрический пробой является обратимый и используется в качестве рабочего режима при создании некоторых п/п приборов — лавинных диодов, транзисторов, тиристоров, стабилитронов.

Лавинный пробой возникает при прикладывания к р-n-переходу высокого обратного напряжения. В этом случае неосновные носители могут приобретать в поле р-n-перехода настолько большую кинетическую энергию, что вызывают ударную ионизацию полупроводника, т.е., оставаясь в прежней энергетической зоне, носитель передает энергию носителю валентной зоны, переводя его в зону проводимости и создавая электронно-дырочную пару. Это приводит к лавинообразному нарастанию обратного тока.

Туннельный пробой возникает при меньших обратных напряжениях, чем лавинный, и обусловлен просачиванием неосновных носителей через барьер в зону, где они становятся основными носителями, за счёт туннельного эффекта.

Тепловой пробой возникает вследствие перегрева и разрушения р-n-перехода, протекающим через него током и является необратимым. Для его предотвращения нужно ограничить ток.

Р-n-переход обладает ёмкостью. Причем суммарная емкость состоит из барьерной и диффузионной:

С = Сбар+Сдиф

Основное значение имеет барьерная ёмкость, которая возникает при приложении к р-n переходу обратного запирающего напряжения. Зависит от величины обратного напряжения и площади р-n-перехода. Обкладки – р и n области, диэлектрик – p-n-переход. Использование барьерной емкости позволяет создавать конденсаторы с переменной емкостью, управляемой обратным напряжением. Такие приборы называются варикапами. Соотношение минимальной и максимальной емкостей может составлять 1:5.

с

Коэффициент перекрытия по ёмкости

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением заряда неосновных носителей при прямом смещении и рассасыванию его при обратном смещении. При прямом смещении ток в р-n- переходе в начальный момент представляет собой в основном ток заряда ёмкости Сдиф. При обратном включении — обратный ток в начальный момент времени — ток перезаряда Сдиф. Сдиф оказывает существенное негативное влияние на быстродействие, является причиной появления сквозных токов в выпрямителях. Значение Сдиф существенно больше, чем Сбар, но использовать её не удаётся, т.к. она зашунтирована малым прямым сопротивлением самого диода.

Добавить комментарий

Закрыть меню