Контакт двух полупроводников

до контакта после контакта

При контакте полупроводников п и р типов уровни Ферми обоих полупроводников должны сравняться, что осуществляется за счёт перехода

электронов из области 1 в область 2 и появляется контактная разность потенциалов .

За счёт малой концентрации электронов и дырок в области контакта полупроводников толщина переходного слоя будет равна примерно 10^{-6 м. Она значительно превышает межатомное расстояние и длину свободного пробега электронов и дырок. Поэтому обеднение переходного слоя носителями заряда не восполняется в полной мере их проникновением из областей 1 и 2.}

Наибольшее практическое значение имеет контакт двух идентичных полупроводников п- и р-типа, например, кремния, легированного донорными и акцепторными примесями.

Контактные явления в р-п-переходе нагляднее анализировать с помощью понятий «электроны – дырки», «основные – неосновные носители».

Левая часть кристалла (р-типа) содержит основные носители – дырки, примерно такое же количество отрицательных акцепторных ионов и незначительное количество электронов.

Правая часть (п-типа) содержит основные носители – электроны, положительные донорные ионы и небольшое количество дырок. Для примера положим, что основных носителей в 10⁶ раз больше, чем неосновных.

Вследствие хаотичного движения электроны устремляются из п-области в р-область, а дырки – в обратном направлении, где они рекомбинируют вблизи границы раздела. В результате этого вблизи контакта практически не остаётся свободных носителей, а имеются только неподвижные ионы, которые создают вблизи контактной плоскости двойной слой зарядов – слева отрицательных, справа – положительных.

Эти неподвижные заряды и создают в р-п-переходе контактное электрическое поле с разностью потенциалов порядка одного вольта.

Потенциальная энергия электрона, изображённая на рисунке сплошной линией, выше в р-области, а для дырок – в п-области.

Высота потенциального энергетического барьера – е^..∆φ.

Вне контактной области, где поля нет, свободные частицы движутся хаотично. Количество этих частиц, наталкивающихся на контакт за единицу времени, зависит от их концентрации и скорости и площади контакта.

Если в слой объёмных зарядов влетает неосновной носитель, то контактное поле «подхватывает» его и «перебрасывает» в другую область. Неосновные носители как бы «скатываются» вниз с потенциального барьера.

Основные носители, наоборот, должны «взобраться» на барьер, чтобы пройти через переход. Для этого они должны обладать кинетической энергией, превышающей высоту барьера. Доля таких частиц очень мала.

За положительное направление тока через р-п-переход принято направление движения положительного заряда из р-области в п-область. Это ток основных носителей. Ток неосновных носителей – отрицательный.

Высота потенциального барьера е^.∆φ в условии равновесия примерно равна запрещённой зоне полупроводника. Она устанавливается автоматически так, чтобы суммарный ток через переход основных и неосновных носителей был равен нулю:

I = I_осн – I_неосн = 0.

Тогда

, где

I₀ – слабозависящая от температуры постоянная величина.

Лекция 22

Вольт – амперная характеристика идеального р-п-перехода

(идеального полупроводникового диода)

Для включения р-п-перехода в электрическую цепь на кристалл с обеих сторон наносят специально изготовленные контакты, имеющие очень малое сопротивление. В результате получают полупроводниковый диод.

Если к диоду подключить источник электропитания, то через него будет протекать ток I , зависящий от подаваемого напряжения U.

В зависимости от значения и полярности питающего напряжения изменяется высота барьера в р-п-переходе при неизменной полярности двойного слоя зарядов.

Ток неосновных носителей «скатывающихся» с барьера остаётся постоянным при изменении высоты барьера, а ток основных носителей «взбирающихся» на барьер, очень чувствителен к его высоте: – при повышении барьера он быстро уменьшается до нуля, а при понижении барьера может возрасти на несколько порядков.

При прямом включении р-п-перехода внешнее электрическое поле направлено против и ток основных и неосновных носителей становится

,

.

Общий ток через р-п-переход

.

При обратном включении диода внешнее электрическое поле усиливает существующее в приграничной области электрическое поле и высота энергетического порога увеличивается до . Ток основных носителей уменьшается, при практически неизменном токе неосновных носителей, который лимитируется очень малым числом неосновных носителей.

При некоторых значениях отрицательного напряжения U ток через р-п-переход стремится к насыщению: I_НАС= I_НЕОСН .

При очень больших значениях обратного напряжения может произойти пробой р-п-перехода : U_C – напряжение пробоя.

При пробое полупроводника, так же как и при пробое диэлектрика очень большая напряжённость электрического поля ускоряет электрон на очень малом расстоянии до энергий, способных выбить другой электрон из ковалентной связи, что вскоре приводит к образованию электронной лавины. Явление пробоя можно использовать в полупроводниковых стабилизаторах напряжения.

а) – прямое включение: дырки и электроны всё время подходят к границе раздела, где рекомбинируют.

б) – обратное включение: дырки и электроны ушли от границы раздела и их больше нет.