3.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход)

В современной электронике большую роль играет контакт двух полупроводников с различными n- и р- типами проводимости. Такой контакт называется электронно-дырочным переходом или р-n- переходом.

Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления переменных токов, а также и для генерирования и усиления высокочастотных токов. Практически р-n- переход в кристалле полупроводника осуществляется в виде узкой переходной области от одного типа проводимости к другому.

Рассмотрим контакт примесных полупроводников n- и р- типа, полученных из одного и того же собственного полупроводника с энергией активации за счет внедрения донорных и акцепторных примесей. На рис. 3.13 показаны энергетические зоны и уровни Ферми этих полупроводников до приведения их в контакт, а также работы выхода электронов и , , равные расстояниям от уровней Ферми до общего нулевого уровня энергии электронов.

п - полупроводник	р - полупроводник
Рис. 3.13

Уровни Ферми находятся ниже «дна» зоны проводимости на расстояниях и ( и ).

При контакте полупроводников происходит переход электронов из n-полупроводника в р-полупроводник, а дырок – в обратном направлении. Этот процесс принимает равновесный характер, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках выравниваются и система в целом становится термодинамически равновесной.

В контактном слое толщиной полупроводника n- типа образуется положительный объемный заряд ионов донорной примеси, а в контактном слое толщиной полупроводника р- типа создается отрицательный объёмный заряд ионов акцепторной примеси (рис. 3.14). Между полупроводниками возникает внутренняя контактная разность потенциалов .

Рис. 3.14

Переход электрона из n- в р- полупроводник через задерживающее его электрическое поле контактного слоя приводит к увеличению потенциальной энергии электрона на величину, равную . В состоянии термодинамического равновесия, изображённом на рис 3.14,

. (3.11)

Соответственно за пределами контактного слоя толщиной «дно» зоны проводимости и «потолок» валентной зоны в р- полупроводнике располагается выше, чем в n- полупроводнике, на величину .

В условиях равновесия через контакт переходят только те основные носители, энергия которых больше высоты потенциального барьера. Концентрация основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер, в полупроводнике n- типа будет равна

, (3.12)

где – концентрация электронов в полупроводнике n-типа. Концентрация дырок, способных преодолеть потенциальный барьер в полупроводнике р-типа будет равна

, (3.13)

где р – концентрация дырок в полупроводнике р- типа.

Поток основных носителей через р-n- переход представляет собой диффузионный ток. Одновременно с движением основных носителей заряда через р-n- переход движутся неосновные носители, причём их поток противоположен потоку основных носителей. Неосновные носители не встречают потенциального барьера в области р-n- перехода, наоборот, если благодаря тепловому движению неосновной носитель заряда попадаёт в область р-n- перехода, то электрическое поле в нем способствует его движению из одного кристалла в другой. Поток неосновных носителей через р-n- переход создает дрейфовый ток. В условиях равновесия эти токи равны по величине, а так как они направлены в противоположные стороны, то результирующий ток через переход равен нулю.

Внешнее напряжение, приложенное к переходу, нарушает равновесие, результирующий ток становится отличным от нуля.

Когда к р-n- переходу приложено обратное напряжение – к n-полупроводнику (+), а к р-полупроводнику (-), высота потенциального барьера для основных носителей увеличивается на (рис. 3.15).

Рис. 3.15	Рис. 3.16

Это еще больше затрудняет переход основных носителей заряда через контакт. Концентрации свободных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер станут равными

, . (3.14)

Диффузионный ток уменьшится, а дрейфовый останется практически без изменений, поэтому результирующий ток J через р-n- переход не будет равен нулю. Через переход пойдет ток равный разности дрейфового и диффузионного токов, который называется обратным током. Обратный ток через р-n- переход при комнатной температуре очень мал, так как он обусловлен концентрацией неосновных носителей заряда.

Когда к р-n- переходу приложено прямое напряжение – (-) к n- полупроводнику и (+) – к р- полупроводнику (рис. 3.16) – концентрации основных носителей заряда, способных преодолеть этот барьер, увеличатся и станут равными

, . (3.15)

Результирующий ток через р-n- переход J, который в этом случае называется прямым, с ростом прямого напряжения будет расти экспоненциально.

Зависимость тока через р-n- переход от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой (Рис. 3.17).

Рис. 3.17

Уравнение этой характеристики имеет такой вид

, (3.16)

где – внешнее напряжение, приложенное к р-n- переходу с учетом знака, – значение, к которому стремится обратный ток при увеличении обратного напряжения.

Коэффициент выпрямления может достигать значений ~ 10⁹ , что свидетельствует о том, что p-n переход обладает практически односторонней проводимостью, проявляя высокие выпрямляющие свойства. Поэтому p-n переход называют полупроводниковым диодом. С ростом температуры выпрямляющая способность p-n перехода уменьшается и при некоторой температуре исчезает совсем. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей определяется концентрацией примесей и от температуры практически не зависит, а концентрация неосновных носителей резко увеличивается с повышением температуры. Таким образом, при нагревании можно достичь такой температуры, при которой концентрация неосновных носителей станет равной концентрации основных и потенциальный барьер исчезнет.