1.2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Основой всех СПП служит электронно-дырочный переход, или p-n переход, возникающий на границе полупроводников p- и n-типов. Электронно-дырочный переход обычно получается путем введения с поверхности на определенную глубину в n-полупроводник акцепторных примесей или в p-полупроводник донорных примесей, при этом образуются два слоя полупроводника р- и n-типов проводимости, граничащих между собой.

На рис. 1.2 схематично показан полупроводник с р-n-переходом. Так как концентрация дырок в p-области, где они являются основными носителями заряда (рр), на много порядков превосходит их концентрацию в n-области, где они являются неосновными носителями (pn), то возникает диффузионный ток дырок, направленный слева направо, при этом уход из p-области положительных дырок приводит к возникновению отрицательно заряженного слоя толщиной (так как заряд неподвижных атомов уже не уравновешивается подвижными носителями противоположного знака).

Рис. 1.2. Электронно-дырочный переход р равновесном состоянии и в состояниях прямого и обратного смещений

Аналогично концентрация основных в n-области электронов на много порядков превосходит их концентрацию в , вследствие чего возникает диффузионный поток электронов, направленный справа налево, и соответственно диффузионный ток электронов слева направо. Из-за ухода электронов из -области в последней возникает слой нескомпенсированного положительного заряда толщиной . В итоге между электрически нейтральными р- и -областями полупроводника образуется область объемного заряда (ООЗ) толщиной . В этой области имеется электрическое поле, направленное справа налево (рис. 1.2), и соответственно возникает потенциальный барьер . Существующее в ООЗ поле захватывает неосновные носители (дырки — в -области, электроны — в -области) и перебрасывает их через переход (дырки — в -область, электроны — в -область). Это приводит к возникновению дрейфового тока, направленного справа налево. В состоянии равновесия (при отсутствии внешнего смещения) суммарный диффузионный ток электронов и дырок равен суммарному дрейфовому току электронов и дырок, а поскольку они текут в противоположных направлениях, то полный ток через переход равен нулю. Если к переходу приложено прямое напряжение (плюс—к , минус — к -слою), то потенциальный барьер уменьшается до , и диффузионный ток слева направо становится больше, чем дрейфовый в обратном направлении. Если к переходу приложить обратное напряжение (плюс — к -слою, минус — к -слою), то потенциальный барьер увеличится до , и дрейфовый ток справа налево станет больше диффузионного в обратном направлении. Количественный анализ описанных процессов приводит к соотношению, связывающему плотность тока j, текущего через переход, с приложенным к нему напряжением U [1.3]:

где — константа материала; ;Т — абсолютная температура.

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика перехода: так как (при 300 К), то при , при

Это соотношение называют вольт-амперной характеристикой (ВАХ) идеального перехода. Графическое изображение ВАХ показано на рис. 1.3. Подчеркнем, что соотношение (1.1) описывает ВАХ перехода при не слишком больших плотностях прямого тока и не слишком большом обратном напряжении. Не учитывает оно и влияние поверхностных эффектов на ВАХ. Более подробное обсуждение уравнения (1.1) можно найти в работах [1.2, 1.3].