Электронно-дырочный переход и его вольт-амперная характеристика

Работа практически всех полупроводниковых приборов основана на использовании свойств - перехода, который образуется на месте контакта двух полупроводников различного типа проводимости. В полупроводнике типа основными носителями являются дырки, их высокая концентрация получена за счет введения акцепторной примеси. В полупроводнике типа основными носителями являются электроны, их высокая концентрация получена за счет введения донорной примеси. Если обеспечить надежный электрический контакт между полупроводниками – и – типа (например, путем контактной сварки), то из-за градиента концентрации носителей в области контакта возникает диффузионный поток дырок из – области в – область и встречный поток электронов из – области в – область. Эти потоки, обусловленные инжекцией электронов и дырок через область контакта, называют диффузионными. Общий диффузионный ток направлен из области в (рис.4).

Рис.4. Электронно-дырочный переход

при отсутствии внешнего электрического поля

Преодолев границу контакта, электроны и дырки попадают в области, в которых они являются неосновными носителями, и под действием сил притяжения диффундируют внутрь полупроводника, где встречаются с основными носителями и образуют нейтральную частицу – рекомбинируют. После ухода дырок из – области вблизи границы раздела остается объемный отрицательный заряд ионизированных атомов акцепторной примеси, и, точно так же появляется объемный положительный заряд донорных атомов в – области. Очень важно понять, что эти заряды неподвижны!

Таким образом, формируется двойной слой электрических зарядов (аналог конденсатора), электрическое поле которого создает потенциальный барьер , препятствующий дальнейшей диффузии электронов и дырок

Внутренне электрическое поле вызывает движение (дрейф) неосновных носителей заряда, которые возникают в результате термогенерации. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному току и уравновешивает его. Суммарный ток через переход равен нулю.

Электронно-дырочный переход лишен подвижных носителей заряда и обладает очень большим сопротивлением. Ширина этого слоя , составляющая доли микрон, зависит от концентраций акцепторной и донорной примесей. Объемные заряды по обе стороны границы раздела равны

,

где - заряд электрона.

Если , то такой переход имеет одинаковой длины участки , , и его называют симметричным. Часто , тогда , т.е. переход несимметричный, он смещен в - область.

Для изучения свойств -перехода к нему подключают внешний источник напряжения, при этом возможны два варианта: прямое включение и обратное.

Прямое включение электронно-дырочного перехода (рис.5).

Рис.5. Прямое включение - перехода

Положительный полюс источника подключается к – области, а отрицательный к – области. Из-за встречного направления внешнего и внутреннего электрических полей потенциальный барьер снижается на величину

.В результате этого увеличивается диффузионная составляющая тока через переход , т.к. возрастает количество носителей, обладающих энергией достаточной для преодоления уменьшенного потенциального барьера. Дрейфовая составляющая тока, определяемая только количеством неосновных носителей, остается постоянной. Таким образом, возникает прямой ток через переход . По мере роста прямого напряжения потенциальный барьер снижается, ширина - перехода уменьшается, а при , потенциальный барьер и переход исчезают. Прямой ток стремится к бесконечности.

Обратное включение (рис.6). Положительный полюс источника

подключается к , а отрицательный полюс к - области. Это приводит к увеличению результирующего электрического поля и к росту потенциального барьера

.

Диффузионная составляющая тока уменьшается, т.к. меньшее число основных носителей заряда способно преодолеть возросший потенциальный барьер, а дрейфовый ток остается неизменным, его величина зависит только от концентрации неосновных носителей. При диффузионный ток практически равен нулю, а обратный ток стремится к току дрейфа.

Рис.6. Обратное включение - перехода

При обратном включении - перехода заряд двойного электрического слоя увеличивается из-за роста суммарного электрического поля, а, следовательно, увеличится ширина перехода.

Вольт-амперная характеристика - перехода (рис. 7) имеет две ветви прямую I и обратную II. Сопоставляя прямой ток (ветвь I), который создается диффузией основных носителей и обратный ток (ветвь II), создаваемый за счет дрейфа неосновных носителей; учитывая, что концентрация основных носителей много больше, чем концентрация неосновных, можно сделать вывод об односторонней проводимости электронно-дырочного перехода.

Рис.7. Вольт-амперная характеристика - перехода.

Прямая ветвь ВАХ – I; обратная ветвь ВАХ - II

Аналитическое выражение, описывающее вольт-амперную характеристику - перехода, имеет вид:

,

где - ток насыщения (тепловой ток), создаваемый неосновными носителями заряда,

- тепловой потенциал (при ).

Из этого выражения видно, что при , ток через переход равен нулю; в случае прямого напряжения единицей можно пренебречь и зависимость будет носить экспоненциальный характер, а при обратном напряжении величину можно не учитывать и тогда .

Пробойперехода. При некотором критическом значении обратного напряжения напереходе малый обратный ток начинает резко возрастать (рис.8). Это явление называют пробоем перехода.

Рис.8. Вольт-амперная характеристика перехода с участком пробоя

Существуют три основных механизма пробоя: тепловой, лавинный и полевой (туннельный). Два последних механизма пробоя – электрические.

Резкий рост обратного тока в переходе возможен при увеличении числа неосновных носителей в самом переходе. При тепловом пробое это происходит за счет выделения тепла на сопротивлении перехода при прохождении через него обратного тока, что приводит к повышению температуры кристалла и необратимым структурным изменениям.

Лавинный пробой перехода – это пробой, вызванный лавинным размножением носителей заряда под действием сильного электрического поля. Неосновные носители, проходя через область - перехода при обратном напряжении, приобретают в сильном электрическом поле на длине свободного пробега дополнительную энергию, достаточную для образования новых электронно-дырочных пар,

путем ударной ионизации атомов полупроводника. Вновь образованные носители тоже попадают в сильное электрическое поле и на длине свободного пробега приобретают достаточную энергию для ионизации следующего атома. Процесс развивается лавинообразно, что и отражает название пробоя.

Туннельным пробоем - перехода называют пробой, вызванный квантово-механическим туннелированием носителей заряда через запрещенную зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование возможно, если толщина перехода, который должны преодолеть электроны, достаточно мала, при этом проявляются волновые свойства электрона.

Емкость переходаравна сумме барьерной и диффузионной емкостей. Наличие барьерной емкости объясняется сосредоточением по обе стороны и слоев объемных зарядов, создаваемых ионами примеси разделенных изолятором толщиной, равной ширине перехода. Это полная аналогия с плоским конденсатором, для которого можно записать

,

где - относительная диэлектрическая проницаемость;

- площадь перехода;

- ширина перехода.

Барьерная емкость зависит от ширины перехода, а, следовательно, от приложенного напряжения. При подключении обратного напряжения увеличивается, что равносильно увеличению расстояния между обкладками плоского конденсатора, и это приводит, как видно из последующего выражения, к уменьшению емкости

.

При прямом смещении ширина перехода уменьшается, а емкость растет. При значение емкости стремится к бесконечности, однако, она оказывается шунтированной малым сопротивлением открытого перехода.

Диффузионная емкость проявляется при прямом включении, которое сопровождается значительным прямым током. Носители заряда, перешедшие через переход в результате диффузии, не успевают рекомбинировать, т.к. они продолжают «жить» в среднем некоторое время (среднее время жизни дырки в - области) и (среднее время жизни электрона в области ). Эти заряды накапливаются вблизи границ перехода, таким образом, мы имеем модель конденсатора, который заряжается током. Диффузионная емкость зависит от прямого тока и среднего времени жизни носителей заряда

,

ее величина может составлять сотни и тысячи пикофарад.

Таким образом, при прямом включении учитывают превалирующую диффузионную, а при обратном - барьерную емкость.