Электронно -дырочный переход

Если два полупроводника с различным типом проводимости привести в соприкосновение, то вблизи границы образуется область с особыми электрическими свойствами –электронно –дырочный (или p-n) переход. Рассмотрим подробнее явления, протекающие в зоне p-n –перехода.

Рис. 5. Образование потенциального барьера на границе p-n –перехода.

В кристалле p –типа основными носителями заряда являются дырки, неосновными –электроны, которые образуются за счет собственных атомов кристалла. В кристалле n –типа основными носителями заряда являются дырки, неосновными –дырки. Оба кристалла электрически нейтральны. Уровень Ферми в рассматриваемых кристаллах находится на разной высоте: вблизи потолка запрещенной зоны в n –кристалле и вблизи ее дна в p –кристалле (рис. 4 а,б). Если кристаллы привести в контакт, то уровень Ферми устанавливается на одинаковой высоте. Это приводит к тому, что энергетические зоны в обоих кристаллах смещаются друг относительно друга и в области контакта образуется потенциальный барьер (рис.5). Кристалл n –полупроводника можно рассматривать как остов из положительных ионов с подвижными электронами, а p –полупроводник –отрицательными ионами и подвижными дырками.

Возникновение контактного слоя и образование потенциального барьера происходит в результате следующих процессов. При создании контакта за счет разности концентраций электронов и дырок справа и слева от границы возникает диффузионный поток электронов из n –кристалла в p –кристалл и поток дырок в обратном направлении (рис.6). Попадая в p –полупроводник вследствие диффузии,

Рис.6. Образование двойного электрического слоя при контакте полупроводников разных типов: -положительные и отрицательные ионы; -электроны и дырки; -рекомбинированные пары.

электроны рекомбинируют с находящимися там дырками, и, следовательно, в приграничной области вс в p –полупроводнике уменьшается число дырок, а за счет отрицательно заряженного ионного остова создается отрицательный заряд. Напротив, в n –полупроводнике в области ав наблюдается противоположная картина: приходящие дырки тоже рекомбинируют со свободными электронами, а за счет положительно заряженного остова создается положительный заряд. В результате образуется двойной электрический слой толщиной l, сильно обедненный свободными носителями. Он создает контактное электрическое поле , которое препятствует дальнейшему встречному движению электронов и дырок и вызывает противоположные потоки зарядов (например, электрон, продиффундировавший в p –область, может быть выброшен полем обратно в n –область). Диффузия электрических зарядов и действие на них электрического поля приводит к установлению равновесного состояния, при котором суммарный ток через границу равен 0. Приконтактная область обладает большим электросопротивлением, так как концентрация свободных носителей заряда в ней очень мала. Эта приконтактная область и является p-n –переходом.

Через потенциальный барьер могут пройти только те носители заряда, энергия которых больше его высоты. Их число определяется уже знакомой нам формулой Больцмана

( -концентрация электронов в n –полупроводнике). Из p –полупроводника через двойной электрический слой пройдет дырок. Движение основных носителей создает диффузионный ток I_g.

Этот ток экспоненциально зависит от температуры. Неосновные носители заряда потенциального барьера не встречают. Поток неосновных носителей создает дрейфовый ток I_s, величина которого определяется концентрацией неосновных носителей и, следовательно, тоже зависит от температуры. В отличие от диффузионного дрейфовый поток от величины приконтактной разности потенциалов не зависит. В условиях равновесия I_g= I_s.

При включении контактирующих n – и p –полупроводников во внешнюю электрическую цепь так, как показано на рис. 7а, внешнее электрическое поле, усиливая поле контактного слоя, вызовет движение электронов в n –полупроводнике и дырок в p –полупроводнике в противоположные стороны от контакта. Толщина запирающего слоя и его сопротивление будут возрастать. Такое направление внешнего электрического поля называется запирающим или контактным.

Рис.7. Влияние внешнего электрического поля на ширину p-n –перехода: -направление движения дырок и электронов под действием внешнего поля.

Потенциальный барьер увеличивается еще на величину ( , где -внешнее напряжение. Диффузионный ток при этом уменьшается, так как уменьшается число носителей , которые смогут преодолеть новый потенциальный барьер.

а дрейфовый ток при этом останется практически неизменным; равновесие нарушается, и через p-n –переход пойдет слабый обратный ток

При увеличении обратного напряжения диффузионный ток исчезает: →0; обратный ток при этом слабо возрастает. Обратный ток должен быть невелик, так как он обусловлен в основном неосновными носителями.

Если изменить полярность внешнего напряжения (рис. 7б), то внешнее электрическое поле будет направлено противоположно полю двойного слоя. Встречное движение электронов и дырок, перемещающихся под действием внешнего поля из глубины полупроводников к области p-n –перехода, увеличивает число подвижных носителей на контакте. Толщина и сопротивление контактного слоя при этом уменьшается.

Потенциальный барьер понижается на величину , что увеличивает (при неизменной температуре) число основных носителей, способных его преодолеть

Прямой ток с ростом внешнего напряжения растет экспоненциально.

Такое включение p-n –перехода называется прямым.

На рис. 8 схематически изображена вольт –амперная характеристика –зависимость тока через p-n –переход от приложенного внешнего напряжения. Резкое увеличение тока при повышении обратного напряжения выше некоторого значения соответствует области пробоя.

Рис.8. Вольт –амперная характеристика p-n –перехода.

Более подробно это явление рассматривается ниже в описании работы №10. Из приведенного графика видно, что за исключением области пробоя p-n –переход обладает свойством односторонней проводимости. Вентильное действие p-n –перехода аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы-диода, и поэтому полупроводниковые устройства, содержащие один p-n –переход называют полупроводниковыми диодами.

В заключение хотелось бы сказать несколько слов о вкладе русских и советских ученых в развитие теории полупроводников и экспериментальные исследования их замечательных свойств. Активно изучать электрические свойства полупроводников начали примерно с середины прошлого века. В конце 19 в. А.Т. Столетовым был открыт фотоэлектрический эффект –основа современных фотоэлементов и фотосопротивления. В 1900 г. изобретатель радио А.С. Попов использовал для приема сигналов нелинейные свойства контакта металла с полупроводником. Первый патент на полупроводниковый сульфидный выпрямитель был выдан русскому изобретателю П. Павловскому в 1906 г.

Дальнейшее развитие теоретических и экспериментальных исследований полупроводников в нашей стране связано с именами академиков А.Ф. Иоффе, Л.Д. Ландау, Б.И. Давыдова, Ф.Ф. Волькенштейна и многих других.

Полупроводники вошли в науку и технику сравнительно недавно: в 20 –е гг. созданы первые полупроводниковые фотоэлементы, а первый полупроводниковый транзистор появился только в 1948 г. Но несмотря на это сейчас трудно назвать такую отрасль техники, где бы не применялись те или иные полупроводниковые приборы. Интерес к полупроводникам не убывает, и это стимулирует интенсивные экспериментальные и теоретические исследования.