Контактные явления в электрических переходах

Исследование p-n переходов и их свойств

Электронно-дырочным переходом или просто p-n-переходом называют контакт двух полупроводников с различным типом проводимости, осуществленный в едином монокристалле полупроводникового материала. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании свойств одного или нескольких p-n-переходов. Рассмотрим более подробно физические процессы, протекающие в таком переходе.

Структура p-n-перехода представлена на рис. 1, а.

Если концентрации дырок и электронов приблизительно равны (\(p_p \approx n_n\)), то переход называется симметричным. Если \(p_p > n_n\) или \(p_p < n_n\), то переход называется несимметричным.

Область с большей концентрацией основных носителей заряда называется эмиттером, а область с меньшей концентрацией основных носителей заряда называется базой.

При изготовлении полупроводниковых приборов, как правило, используются несимметричные переходы. Для большей наглядности будем рассматривать физические явления, протекающие в симметричном переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. За счет разности концентраций основных носителей заряда в p-n-структуре возникает диффузия дырок и электронов из одного полупроводника в другой.

Из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки. В результате диффузии основных носителей заряда (ОНЗ) вблизи металлургической границы по обе стороны ее образуется слой с пониженной концентрацией подвижных носителей заряда (обедненный слой, рис. 1, б) и нарушается электрическая нейтральность вблизи контакта полупроводниковых материалов.

В пограничном слое образуются объемные пространственные заряды. В области n возникает положительный объемный пространственный заряд (ОПЗ), а в области p — отрицательный объемный заряд (рис. 1, в). Между образовавшимися объемными пространственными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов \(U_к = \phi_n - \phi_p\) и электрическое поле с вектором напряженности \(E_к\) (рис. 1, а, г).

Контактная разность потенциалов обычно составляет десятые доли вольта (0,3–0,7 В).

Электрическое поле \(E_к\) является тормозящим для основных носителей заряда и препятствует развитию процесса диффузии. В результате этого диффузионный ток \(j_{диф}\) уменьшается почти до нуля.

Одновременно с диффузионным перемещением ОНЗ через границу происходит и обратное перемещение неосновных носителей заряда (ННЗ) под действием электрического поля \(E_к\). Это поле перемещает дырки из n-области в p-область и электроны из p-области обратно в n-область.

При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием электрического поля столько же их дрейфует в обратном направлении, т. е.

Если к p-n-переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается — в цепи потечет ток.

1. Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику p-типа, а отрицательным полюсом — к полупроводнику n-типа (рис. 2). Напряжение такой полярности называется прямым.

Электрическое поле, создаваемое в p-n-переходе прямым напряжением, действует навстречу полю контактной разности потенциалов. Результирующее поле становится слабее, что приводит к увеличению диффузионного тока.

Ток дрейфа при этом почти не изменяется, так как он зависит главным образом от числа ННЗ, попадающих за счет своих тепловых скоростей в p-n-переходе из n- и p-областей. Так как концентрация основных носителей заряда значительно больше концентрации неосновных, то \(j_{диф} \gg j_{др}\).

В результате этого во внешней цепи будет протекать ток с плотностью

С повышением приложенного внешнего напряжения диффузионный ток увеличивается (так как уменьшается запирающее поле), в связи с чем возрастает прямой ток через p-n-переход.

Процесс введения ОНЗ через p-n-переход в область полупроводника, где они являются ННЗ за счет снижения потенциального барьера, называется инжекцией носителей заряда.

Обычно полупроводниковые приборы имеют несимметричный переход \(n_n > p_p\) или \(n_n < p_p\). Поэтому электрический ток через переход будет определяться концентрацией ОНЗ в полупроводнике n-типа или p-типа.

2. Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области n, а отрицательным — к области p (рис. 3). Такое включение p-n-перехода называется обратным.

Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов, и результирующее поле усиливается.

В результате этого диффузионное перемещение ОНЗ через переход прекращается, т. е. \(j_{диф} \approx 0\). Дрейфовая составляющая тока несколько увеличивается, но за счет малой концентрации ННЗ этот ток мал и имеет тот же порядок, что и при прямом включении:

Процесс выведения носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через p-n-переход в область, где они являются основными, называется экстракцией носителей заряда.

Таким образом, при прямом включении через p-n-переход протекает большой ток, определяемый током диффузии, а при обратном включении протекает незначительный дрейфовый ток, т. е. переход обладает вентильными свойствами.