§ 36. СВОЙСТВА p-n-ПЕРЕХОДА

Полупроводники. Разделение материалов на проводники и диэлектрики является условным, так как в действительности не существуют материалы, совершенно лишенные свободных носителей электрических зарядов и обладающие бесконечно большим удельным электрическим сопротивлением. Более того, между диэлектриками и проводниками трудно установить четкую границу, так как в природе и технике встречаются материалы со всевозможными значениями удельных сопротивлений от величин порядка типичных проводников до величин порядка типичных диэлектриков.

Многие вещества, не являющиеся хорошими проводниками электрического тока и непригодные вместе с тем для использования в качестве изоляторов, долгое время не находили себе применения в электротехнике и радиоэлектронике. Однако в последние десятилетия были открыты замечательные возможности применения на практике многих из этих веществ и материалов, получивших название полупроводников. К полупроводникам условно относятся материалы с удельным сопротивлением, лежащим при комнатных температурах в пределах

Характерными особенностями полупроводниковых материалов являются уменьшение их удельного сопротивления при нагревании и освещении, сильная зависимость удельного сопротивления от наличия примесей, существование особого типа проводимости, называемой дырочной проводимостью, возникновение на границе раздела полупроводниковых материалов с различным типом проводимости областей с особыми физическими свойствами.

р-n-переход. Электронно-дырочный переход, или сокращенно -переход, является внутренней границей, разделяющей

Рис. 73. Создание -перехода методом вплавления

области с дырочной и электронной проводимостями в одном и том же монокристалле. Создать —переход путем соприкосновения двух кристаллов с дырочной и электронной проводимостями невозможно вследствие различных несовершенств и загрязнений контактных поверхностей атомами адсорбированных газов и пленками окислов, сильно влияющими на свойства полупроводника.

Один из возможных способов получения -перехода заключается в том, что на поверхности монокристалла германия -типа помещается крупинка индия и производится нагревание их до температуры 500-550 °С в вакууме или атмосфере водорода (рис. 73). Температура плавления германия 959 °С. При нагревании до 500 °С происходит растворение германия в расплавленном индии, а при последующем медленном охлаждении — кристаллизация германия с примесью индия. Поскольку германий с примесью индия имеет проводимость -типа, то между ним и основным кристаллом образуется -переход.

Можно создать -переход в процессе роста кристалла при его вытягивании из расплава. Для этого в расплав сначала добавляют акцепторную, а затем донорную примесь.

При изучении процессов, протекающих на -переходе, удобно считать его образованным в результате идеального контакта двух частей монокристалла, обладающих проводимостями типа. Преобладание концентрации электронов в -полупроводнике приведет к тому, что с момента осуществления контакта через границу раздела будет происходить преимущественная диффузия электронов из -полупроводника в -полупроводник, где их концентрация меньше. Это приводит к появлению в электронном полупроводнике некомпенсированных положительных ионов донорной примеси, в дырочном полупроводнике появляются нескомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. В приконтактном слое -полупроводника, потерявшего часть электронов, образуется положительный объемный заряд неподвижных ионизированных атомов донорных примесей, а в пограничном слое -полупроводника — отрицательный объемный заряд неподвижных отрицательных ионов акцепторных примесей, обусловленный приходом электронов и уходом дырок в -полупроводник (рис. 74).

Но процесс накопления объемного заряда не может происходить бесконечно. Дело в том, что появление объемного заряда нарушает электрическую нейтральность соприкасающихся полупроводников и приводит к возникновению приконтактного электрического поля

такого направления, что оно препятствует вызвавшим его переходам электронов из в -полупроводник.

По мере накопления объемного заряда напряженность контактного поля возрастает и оно оказывает все большее противодействие переходам электронов из в -полупроводник. В то же время контактное поле способствует встречным переходам неосновных носителей заряда, т. е. переходам электронов из -полупроводник.

Потенциал положительно заряженной области -полупроводника выше потенциала заряженной области -полупроводника. Поэтому в равновесном состоянии переход основных носителей требует совершения работы против сил контактного электрического поля

Контактная разность потенциалов на -переходе в германии составляет около 0,7 В, а в кремнии примерно 1,1 В. В связи с уходом значительной части свободных электронов из приконтактной области -полупроводника в -полупроводник -полупроводник вблизи границы раздела практически превращается в диэлектрик с большим электрическим сопротивлением. С другой стороны, электроны, перешедшие в -полупроводник, восполняют недостаток электронов у тех атомов германия, электроны которых были захвачены акцепторными атомами примеси. Поэтому эстафетные переходы валентных электронов от одного атома германия к другому, обеспечивающие так называемую дырочную проводимость в приконтактной области -полупроводника, становятся невозможными. Это означает, что и пограничная область -полупроводника практически превратилась в диэлектрик.

Таким образом, по обе стороны -перехода возникает слой, сопротивление которого значительно превышает сопротивление остальной части кристалла. Этот слой повышенного сопротивления называется запирающим слоем.

Но -переход не эквивалентен обычному резистору с большим сопротивлением. Во-первых, его сопротивление зависит от приложенного напряжения и, во-вторых, от направления приложенного электрического поля.

Выпрямительные свойства -перехода. Кристалл с -переходом обладает ценными свойствами. На одном из них — способности пропускать электрический ток в одном направлении — основано устройство диодов.

Если к кристаллу приложено внешнее напряжение так, что плюс подан на -область, а минус на -область, то направления внешнего и контактного полей совпадают. Это приводит к увеличению скачка потенциала (теперь он становится равным и к увеличению ширины запирающего слоя.

Уширение запирающего слоя вызвано тем, что основные носители (электроны в -полупроводнике и дырки в -полупроводнике) удаляются внешним полем от запирающего слоя в разные стороны, увеличивая его толщину. Сопротивление -перехода возрастает, и через него потечет лишь небольшой ток неосновных

(кликните для просмотра скана)

Рис. 74. Упрощенная схема образования р-n-перехода на контакте электронного и дырочного полупроводников

носителей, называемый обратным током. Его величина практически не зависит от напряжения.

Если к кристаллу приложено внешнее напряжение такой полярности, что направления внешнего и контактного полей взаимно противоположны, то уменьшение скачка потенциала на границе раздела полупроводников и -типа на величину приведет к тому, что переходы основных носителей через -переход облегчаются. Двигаясь навстречу друг другу, основные носители входят в запирающий слой, уменьшая его толщину.

По мере увеличения внешнего напряжения толщина запирающего слоя стремится к нулю, а его удельное сопротивление уменьшается до величины, близкой к величине удельного сопротивления соприкасающихся полупроводников. Через кристалл течет так называемый прямой ток, значение которого определяется сопротивлением кристалла при отсутствии запирающего слоя, сопротивлением внешней цепи и приложенным напряжением. Прямой ток обусловлен главным образом встречным движением основных носителей, так как концентрация и число переходов неосновных носителей очень малы.

Итак, при подаче внешнего напряжения через -переход протекает ток большой величины при одном знаке внешнего напряжения и малый ток при другом. Говорят, что в первом случае -переход включен в пропускном, или прямом, направлении, а во втором — в запирающем, или обратном.

Способность -перехода пропускать ток практически только в одном направлении используется в устройстве полупроводниковых диодов, преобразующих переменный ток в постоянный, точнее, в пульсирующий.

Важной характеристикой диода является коэффициент выпрямления — отношение прямого тока к обратному при напряжении 1 В. В хороших диодах коэффициент выпрямления велик, порядка .

Достоинствами полупроводниковых диодов являются малые размеры и масса, длительный срок службы, высокая механическая прочность, высокий коэффициент полезного действия. К недостаткам их следует отнести чувствительность к перегрузкам и зависимость параметров от температуры. Полупроводниковые диоды не могут работать при температурах ниже -70 °С (материал становится изолятором) и выше +80 °С (германиевые) и +125 °С (кремниевые). При более высоких температурах могут работать диоды на основе двуокиси титана (+250 °С), арсенида галлия (+400 °С) и карбида кремния (+1000 °С).

Термоэлектрические и фотоэлектрические свойства p-n-перехода. Равновесное состояние -перехода может быть нарушено не только действием внешнего поля, но и повышением температуры, облучением быстрыми частицами и т. д. Если энергия, сообщаемая атомам любым из этих способов, достаточна для отрыва электронов от собственных атомов, то по обе стороны запирающего слоя возникнут электронно-дырочные пары. Появившиеся дырки и электроны проводимости, совершая тепловое движение, перемещаются в различных направлениях, в том числе и в направлении -перехода.

Основные носители (дырки в области -полупроводника и электроны в области -полупроводника), достигшие -перехода, не могут преодолеть его потенциальный барьер. Неосновные носители, дошедшие в результате диффузии до -перехода, свободно преодолевают его, так как контактное поле способствует таким переходам. В результате этого в дырочном полупроводнике начнет возрастать концентрация дырок, а в электронном — электронов. Следовательно, -область будет заряжаться положительно, а -область — отрицательно, и между ними возникнет направленная противоположно некоторая разность потенциалов Эту разность потенциалов в зависимости от вызвавшей ее причины называют термо- или фотоэлектродвижущей силой.

Накопление избыточных зарядов не может продолжаться беспредельно, так как одновременно происходит понижение потенциального барьера на величину и усиление встречной диффузии основных носителей — электронов из -области в -область и дырок в противоположном направлении. Установившемуся динамическому равновесию между числом носителей, проходящих -переход в обоих направлениях, будет соответствовать окончательный скачок потенциала (рис. 75). Таковы в общих чертах механизмы термоэлектрического и фотогальванического

Рис. 75. Созданные светом или тепловым движением неосновные носители (электроны в -полупроводнике и дырки в -полупроводнике) разделяются контактным полем, заряжая -полупроводник положительно, а -полупроводник отрицательно

эффектов на -переходе, заключающихся в возникновении ЭДС при нагревании или освещении -перехода.

С увеличением температуры или освещенности увеличивается число неосновных носителей заряда, накапливаемых по обе стороны -перехода в результате разделения. Это вызывает понижение потенциального барьера на величину термо- или фотоэлектродвижущей силы. Величина термо- или фотоэлектродвижущей силы может достигать 1 В. Максимальнее ее значение не может быть больше скачка потенциала

Устройства с -переходом, предназначенные для преобразования теплоты или энергии света непосредственно в электрическую энергию, называются термо- или фотоэлементами.

Для получения большей ЭДС термо- или фотоэлементы соединяют в батарею последовательно, как обычные источники тока. Такие батареи называются соответственно термоэлектрическими генераторами и «солнечными батареями».

Явления возникновения термо- и фотоэлектродвижущей силы обратимы. Если направление тока через -переход таково, что основные носители движутся навстречу друг другу, то при их рекомбинации вблизи -перехода выделяется энергия, ранее затраченная на создание свободных электронов и дырок. Эта энергия может выделяться в виде тепла или света.

Если -переход включен в цепь в запирающем направлении, т. е. так, что электроны и дырки расходятся в разные стороны от него, то, напротив, требуется энергия на создание электронов и дырок проводимости. При этом понижается энергия теплового движения атомов кристалла, т. е. происходит охлаждение -перехода. На этом принципе работают полупроводниковые холодильники.