Контактные явления в электрических переходах
Электронно-дырочным переходом или просто р–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. 1.1,а.
Рис. 1.1
Если концентрации дырок и электронов приблизительно равны 
, то переход называется симметричным. Если 
или 
, 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. 1.1, 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. 1.1, в). Между образовавшимися объемными пространственными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов 
и электрическое поле с вектором напряженности Ек (рис. 1.1, а, г).
Контактная разность потенциалов обычно составляет десятые доли вольта (0,3–0,7 В).
Электрическое поле 
является тормозящим для основных носителей заряда и препятствует развитию процесса диффузии. В результате этого диффузионный ток 
уменьшается почти до нуля.
Одновременно с диффузионным перемещением ОНЗ через границу происходит и обратное перемещение неосновных носителей заряда (ННЗ) под действием электрического поля . 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. 1.2).
Рис. 1.2
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
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 
или 
. 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. 1.3).
Рис. 1.3
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. 
. 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.
Вольт-амперная характеристика p–n-перехода
Вольт-амперная характеристика (ВАХ) представляет собой график зависимости тока во внешней цепи p–n-перехода от величины и полярности приложенного к нему напряжения. Эта зависимость может быть получена экспериментально или рассчитана на основании уравнения непрерывности. Уравнение позволяет рассчитать вольт-амперную характеристику тонкого электронно-дырочного перехода, в котором отсутствуют генерация и рекомбинация носителей заряда. Уравнение теоретической вольт-амперной характеристики имеет вид
(1.1)
где 
– обратный (тепловой) ток p–n-перехода;
– температурный потенциал 
;
– напряжение на p–n-переходе.
Теоретическая вольт-амперная характеристика p–n-перехода, построенная на основании уравнения (1.1), показана на рис. 1.4.
Правая часть ВАХ соответствует прямому включению p–n-перехода, левая – обратному включению.
При прямом включении, когда 
, единицей в уравнении можно пренебречь и зависимость 
имеет экспоненциальный характер 
.
С увеличением приложенного напряжения ток через переход растет.
При обратном включении величиной 
, ввиду малости, можно пренебречь и тогда ток 
.
Рис. 1.4
Емкость p–n-перехода
Изменение внешнего напряжения на переходе будет приводить к изменению накопленного в нем заряда 
.
Но любому изменению заряда можно поставить в соответствие изменение заряда в некотором конденсаторе емкостью
,
т. е. p–n-переход обладает емкостью и ведет себя, подобно конденсатору. При этом роль диэлектрика в таком конденсаторе выполняет тонкий слой полупроводникового материала на границе перехода. Этот слой обеднен основными носителями заряда (рис. 1.1, б, с. 69) и поэтому имеет высокое удельное сопротивление.
Роль обкладок конденсатора выполняют объемные пространственные заряды, располагаемые по обе стороны от границы перехода (рис. 1.1, в).
Общая емкость перехода определяется следующим соотношением:
,
где 
– диффузная и барьерная емкость p–n-перехода.
Барьерная (зарядная) емкость определяется изменением нескомпенси-рованных зарядов ионов при изменении ширины запирающего слоя под воздействием внешнего обратного напряжения.
Величина барьерной емкости определяется следующим соотношением:
,
где 
– емкость перехода при 
.
Из приведенного соотношения видно, что при увеличении 
емкость p–n-перехода уменьшается. Это можно объяснить тем, что при увеличении обратного напряжения ширина обедненного слоя перехода увеличивается, что соответствует увеличению расстояния между обкладками конденсатора и, следовательно, уменьшению емкости
,
где А – площадь перехода;
d – ширина обедненного слоя.
Диффузионная емкость перехода определяется изменением количества неосновных носителей зарядов вблизи перехода за счёт инжекции зарядов при прямом включении перехода:
,
где 
р – ток p–n-перехода при прямом включении;
– среднее время жизни дырок и электронов.
Следует отметить, что при включении p–n-перехода в прямом направлении преобладает диффузионная емкость, а при обратном направлении – барьерная (рис. 1.5).
Рис. 1.5
Емкость p–n-перехода отрицательно влияет на частотные свойства выпрямительных диодов, так как ограничивает их рабочую частоту, но в специальных диодах (варикапах) барьерная емкость является основным параметром. Варикап – полупроводниковый диод, используемый как конденсатор, емкость которого зависит от приложенного к нему напряжения. Широко применяется в схемах резонансных LC – контуров, резонансную частоту которых можно изменять путем изменения напряжения на варикапе.
Эквивалентная схема p–n-перехода.
На рис. 1.6,а показана эквивалентная схема (модель) идеализированного p–n-перехода для большого сигнала 
, содержащая конденсатор 
и безынерционный диод, ВАХ которого соответствует (1.1). Для малого переменного сигнала (рис. 1.6, б) эквивалентная схема содержит дифференциальное сопротивление p–n-перехода 
, диффузионную емкость 
и зарядную емкость 
.
На основании уравнения (1.1) можно записать
.
При прямом включении p–n-перехода 
и можно записать
. (1.2)
В соотношении (1.2), часто называемом формулой Шокли, значение тока подставляется в миллиамперах.
Рис. 1.6
При прямом включении p–n-перехода 
, поэтому эквивалентная схема принимает вид, показанный на рис. 1.7, а. При обратном включении 
и эквивалентная схема преобразуется к виду, показанному на рис. 1.7, б.
Рис. 1.7
Посмотрите учебный видеоролик