3. Контакт двох напівпровідників з різним типом провідності. Р-n- перехід і його випрямляючі властивості

Розглянемо контакт напівпровідників з різним типом провідності спочатку у рівноважному стані (без зовнішньої батареї). При утворенні контакту будуть відбуватись дифузійні переходи основних носіїв заряду в сусідні області: електронів із n - напівпровідника в р - напівпровідник, дірок навпаки. Такі переходи зумовлені градієнтом концентрації носіїв заряду одного знаку. Дійсно, згідно є формулою (5.19) добуток концентрацій електронів і дірок визначається степенем легування, шириною забороненої зони і температурою. Наприклад, для германію при температурі 300 К цей добуток дорівнює 10³⁸ м^-3. При помірному рівні легування n_n = p_p=N_d = N_a = 10²² м^-3. Тоді концентрація неосновних носіїв буде дорівнювати n_p = p_n = 10³⁸/10²² = 10¹⁶ м^-3. Отже концентрації однойменних зарядів у сусідніх областях відрізняються на 6 порядків. Таким чином p-напівпровідник буде збагачуватись електронами і заряджатись негативно, а n-напівпровідник – дірками і заряджатись позитивно. Такі переходи будуть продовжуватись до встановлення динамічної рівноваги поки рівні Фермі не стануть однаковими (рис.7.7). Виникає потенціальний бар’єр φ_о = μ_n – μ_p = qV_к. Знайдемо його, скориставшись формулою (5.17), або (5.18).

. (7.10)

Видно, що КРП V_к не може перевищувати ширину забороненої зони і тим більша, чим більше відношення концентрації основних носіїв заряду до концентрації неосновних, тобто чим більша ступінь легування напівпровідників. Контактний шар простягається в область обох напівпровідників. На основі формули (7.5) одержуємо

. (7.11)

1. Запираюче (зворотне) ввімкнення контакту

Коли до контакту прикладена зовнішня напруга в зворотному напрямку, енергетичні рівні р-напівпровідника піднімаються, а n-напівпровідника опускаються (рис.7.8). Висота потенціального бар’єру зростає на величину qV. Збільшується також ширина контактної області

Через p-n-перехід буде протікати зворотній струм, зумовлений неосновними носіями заряду, потік яких практично не змінюється, так як для них не було і не виник потенціальний бар’єр. Величина цього потоку обмежується концентрацією і дифузійною довжиною неосновних носіїв заряду. Потік же основних носіїв заряду зменшується, так як для них величина потенціального бар’єру зросла на величину qV. Через контакт протікає невеликий зворотній струм, який змінюється по такому ж закону, як і для контакту метал-напівпровідник (7.7).

2. Пряме ввімкнення контакту. Пробій p-n-переходів

При прямому ввімкненні, коли напруженість зовнішнього електричного поля протилежна контактному, енергетичні рівні р-напів-провідника опускаються, а n-напівпровідника піднімаються (рис.7.9). Висота потенціального бар’єру для основних носіїв заряду зменшується на величину qV. Тому їх потік через контакт різко зростає. Зменшується ширина збідненої контактної області

,

що також приводить до зростання прямого струму. Закон його зміни також описується формулою (7.8), а вольт-амперна характеристика має вид рис.7.10. Але на відміну від діодів Шотткі, діоди на основі p-n-переходу мають значно більший коефіцієнт випрямлення 10⁸÷10⁹.

Отже, p-n-переходи, як і діоди Шотткі, мають властивість добре пропускати струм в одному напрямку і погано в протилежному, тобто мають випрямляючу властивість. Але при певних умовах ця властивість може втрачатись. Відбувається пробій p-n-переходу із-за таких процесів (рис.7.10):

1 - тепловий пробій виникає при перегріванні контакту, коли тепло, яке виділяється в контакті, не повністю відводиться від нього. Температура переходу збільшується, зростає концентрація неосновних носіїв заряду за рахунок теплової генерації, зростає зворотній струм, що в свою чергу викликає подальше збільшення температури. Діод швидко виходить з ладу.

2 - лавинний пробій виникає при хорошому тепловідводі, але концентрація неосновних носіїв заряду, а значить і зворотній струм, зростають за рахунок процесу ударної іонізації. Наявні вільні носії заряду на довжині вільного пробігу в сильному електричному полі набувають енергію, достатню для іонізації атомів напівпровідника при зіткненні. Зрозуміло, що лавиноподібний процес буде мати місце тоді, коли при такому зіткненні буде генеруватись не один, а декілька носіїв заряду.

3 - тунельний пробій виникає в тонких p-n-переходах, коли відбувається тунельний перехід неосновних носіїв заряду. На рис.7.11 показаний такий перехід електрона із валентної зони р-напівпровідника безпосередньо в зону провідності n-напівпровідника. Ймовірність такого тунелювання зростає при співпаданні положення відповідних енергетичних рівнів у зонах.

Різка залежність величини зворотного струму від напруги у передпробійній області використовується у напівпровідникових стабілітронах для стабілізації напруги. На цій дільниці вольт-амперної характеристики при зміні струму напруга майже не змінюється.