1.2. ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНОМ ПЕРЕХОДЕ

В большинстве полупроводниковых приборов используются кристаллы полупроводника с двумя и более участками (слоями) с различным током проводимости ().

При получении двухслойной структуры со слоями n- и p-типа обычно концентрация примесей в слоях несимметрична: , либо . Один из слоев имеет более высокую концентрацию основных носителей и большую электропроводность; например, на рис. 1.2, показана двухслойная структура, где .

Рис. 1.2. Электронно дырочный переход при отсутствии внешнего электрического поля (а) и при приложении прямого (б) и обратного (в) напряжений

Область полупроводника, расположенная вблизи металлургической границы между слоями, называется электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

1. Рассмотрим процессы в переходе в отсутствие внешнего электрического поля (рис. 1.2, а).

Из-за разности концентраций основных носителей в -слоях происходит процесс диффузии через переход носителей заряда из области с повышенной в область с пониженной концентрацией носителей.

При этом основные носители в -области — дырки — диффундируют в -слой, а основные носители -слоя — электроны — диффундируют в -слой. Диффузионный ток через переход , так как в рассматриваемом примере .

Перейдя под воздействием сил диффузии металлургическую границу, носители рекомбинируют с основными носителями другого слоя. За счет ухода основных носителей из одного слоя и их рекомбинации в другом вблизи металлургической границы возникает область, обедненная подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким сопротивлением (запирающий слой). В запирающем слое нарушается баланс положительных и отрицательных зарядов, так как при уменьшении концентрации подвижных носителей оказывается нескомпенсированным объемный заряд неподвижных ионов примесей: в -слое — отрицательных, в -слое — положительных ионов. Этот двойной электрический слой (рис. 1.2, а) создает электрическое поле с напряженностью и приводит к появлению на кривой распределения потенциала в полупроводнике потенциального барьера .

Электрическое поле, возникшее внутри запирающего слоя, вызывает направленное движение носителей через переход — дрейфовый ток, направленный навстречу диффузионной составляющей тока через переход. Дрейфовый ток через переход .

Диффузия носителей приводит к росту электрического поля и потенциального барьера, при этом растет дрейфовый ток. Рост двойного электрического слоя прекращается тогда, когда суммарный ток через переход равен нулю, т. е. . Такой режим соответствует равновесному состоянию перехода при отсутствии внешнего электрического поля.

Результирующий ток через переход в этом случае

Ширина запирающего слоя в и -слоях зависит от концентрации ионов примесей в слоях и тем меньше, чем больше концентрация примесей. Поэтому при рассматриваемом соотношении примесей переход имеет двойной электрический слой, ширина которого в слабо легированной -области больше (см. рис. 1.2, а).

2. Если двухслойный полупроводник включить в электрическую цепь (рис. 1.2, б) и приложить прямое напряжение (плюс к -слою, минус к -слою), то это напряжение практически все оказывается приложенным к запирающему слою, как к участку с наибольшим сопротивлением. Из-за встречного направления внутреннего и внешнего полей результирующая напряженность поля в запирающем слое снижается и потенциальный барьер равен .

В результате этого возрастает количество носителей, обладающих энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, и увеличивается диффузионная составляющая тока через переход. Дрейфовая составляющая определяется только количеством неосновных носителей, подошедших к запирающему слою в процессе теплового движения, причем неосновные носители по-прежнему втягиваются полем перехода. Поэтому дрейфовый ток неосновных носителей от приложенного напряжения не зависит. Таким образом, суммарный ток через переход . Это прямой ток перехода. Потенциальный барьер измеряется долями вольта, поэтому для протекания прямого тока к переходу достаточно приложить напряжение, измеряемое тоже долями вольта. Уменьшение результирующего поля у перехода приводит к уменьшению объемного заряда и сужению запирающего слоя.

3. Обратное смещение перехода (рис. 1.2, в) приводит к увеличению результирующего поля в запирающем слое и росту потенциального барьера: . Диффузия носителей через переход становится практически невозможной, поэтому ток . В этом случае поле перехода втягивает все подошедшие к нему неосновные носители независимо от потенциального барьера и через переход протекает только ток неосновных носителей: ток дырок из -области в -слой и электронов из -слой. Однако ток неосновных носителей, или обратный ток, значительно меньше прямого тока через переход в случае 2, так как число неосновных носителей в полупроводнике мало. Соотношение прямого и обратного токов перехода позволяет говорить об однонаправленной проводимости перехода, т. е. о его выпрямляющем действии.

Обратный ток неосновных носителей через переход иногда называют тепловым током, так как он сильно зависит от температуры: при нагреве полупроводника увеличивается генерация неосновных носителей; при этом тепловой ток удваивается при нагреве на 8° у германиевых приборов или на у кремниевых приборов.

При обратном смещении перехода суммарная напряженность электрического поля перехода возрастает, поэтому возрастает заряд двойного электрического слоя и ширина запирающего слоя. Этот эффект используется в некоторых типах полупроводниковых приборов (см. §1.6).

4. Зависимость тока через переход от приложенного напряжения называется вольт-амперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода. На рис. 1.3, а ВАХ изображена при одинаковом масштабе по осям для положительных и отрицательных значений напряжений и токов.

Рис. 1.3. Вольт-амперная характеристика перехода при одинаковом масштабе токов и напряжений для прямого и обратного направлений (а) и различном масштабе , кривая 1) и ВАХ полупроводникового диода , кривая 2)

При малом прямом напряжении протекает большой прямой ток, при больших обратных напряжениях — малый тепловой ток. Характеристика рис. 1.3, а практически соответствует характеристике идеального вентиля, у которого имеют место нулевое падение напряжения при протекании прямого тока и нулевой ток при приложении обратного напряжения. Следовательно, свойства перехода близки к свойствам идеального вентиля

При необходимости учесть отличия ВАХ перехода от идеальной вентильной характеристики ее строят в разных масштабах для положительных и отрицательных значений токов и напряжений (рис. , кривая 1).