Принцип действия р-n-перехода

Настоящая революция в электро­нике произошла вследствие перехода от вакуумной техники к полупроводниковой, поэтому целесообразно ознакомиться с ос­новными типами полупроводниковых приборов, составляющих основу современной полупроводниковой микроэлектроники. Это биполярный транзистор, полевые транзисторы (с управляемым p- п- переходом и с МДП -структурой (МДП - металл - ди­электрик - полупроводник» и приборы с зарядовой связью, являющиеся основным элементом современной фото- и видео­техники.

Основой работы большинства полупроводниковых приборов является p – n - переход - геометрическая граница между участка­ми с электронной и дырочной проводимостями в полупроводникe. В области p – n -перехода меняется тип легирующей примеси и соответственно тип проводимости. Понять физический принцип работы p – n -перехода очень просто. Имеются две области с раз­ными типами проводимости: n-типа (электронная проводимость) и р-типа (дырочная проводимость) и соответственно с разными концентрациями носителей заряда. Степень неравномерности рас­пределения носителей заряда характеризуется градиентом концен­трации, который определяется как отношение изменения кон­центрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Градиент концентрации приводит к возникновению диффузион­нoгo тока. Естественно, чем больше градиент концентрации, тем больше инициируемый им диффузионный ток.

Если концентрация основных носителей в обеих областях оди­накова ( - концентрация дырок в р-области; – концентрация электронов в n-области), то такой переход называется симметричным:

(2.2)

При этом концентрация неосновных носителей, дырок в n-области и электронов в р-области на несколько порядков меньше концентрации основных носителей. Распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структу­ре показано на рис. 2.4, а, из которого видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носите­лей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являют­ся основными, а в другой - неосновными, так что дырок в р-области гораздо больше, чем в n-области, и наоборот, электро­нов в n-области значительно больше, чем в р-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носи­телей заряда через границу между двумя областями. Дырки диф­фундируют из р-области в n-область, а электроны - из n-области в р-область. Попадая в n-область, дырки рекомбинируют с элект­ронами; по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, по­степенно рекомбинируют там с дырками и концентрация их так­же уменьшается.

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела p - и n-областей создает ток диффузии в p- n -переходе, равный сумме электронного и дырочного токов. Направление диффузи­онного тока совпадает с направлением диффузии дырок:

(2.3)

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсирован­ный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси. В результате образования по обе стороны границы меж­ду p - и n-областями неподвижных зарядов противоположных зна­ков в р-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле преnятствует даль­нейшей диффузии основных носителей заряда через границу, яв­ляясь для них потенциальным барьером. В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается. Преодо­ление потенциального барьера возможно только для основных но­сителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды противоположных знаков, яв­ляется переходным слоем и представляет собой собственно р-n-переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называется обедненным слоем. Он обладает большим удель­ным сопротивлением. Потенциальный барьер, уменьшая диффу­зию основных носителей заряда, в то же время способствует пе­реходу через границу неосновных носителей заряда. Совершая теп­ловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попа­дают в зону действия электрического поля и переносятся им че­рез р-n-переход. Движение неосновных носителей заряда под дей­ствием внутреннего электрического поля создает в p - n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной состав­ляющих:

(2.4)

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток называется тепловым током, поскольку количество неосновных носителей заряда зави­сит от собственной электропроводности полупроводника, т. е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному, и он является источником неустранимых шумов при работе любо­го полупроводникового прибора.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается дина­мическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузион­ный ток становится равным дрейфовому, т. е. ток, проходящий через р-n-переход, равен нулю, что соответствует определенной высоте потенциального барьера.

Установившаяся высота потенциального барьера в элект­рон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны грани­цы р-n-перехода. Величина зависит от температуры и матери­ала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повы­шением температуры высота потенциального барьера уменьшает­ся. При комнатной температуре для германия = 0,3... 0,5 В, для кремния = 0,6... 0,8 В.

С физической точки зрения при контакте областей с различ­ным типом проводимости наличие градиента концентрации с обеих сторон приведет к тому, что, стремясь к равновесию, часть элек­тронов перейдет из n-области в р-область, а часть дырок - из р­ области в n-область, создав двойной электрический слой, как это показано на рис. 2.4, б. Его равновесие поддерживается, с одной стороны, силами кулоновского взаимодействия, а с другой сто­роны, стремлением системы к выравниванию концентрации но­сителей.

. Если приложить к р-области отрицательный потенциал (вклю­чить р-n-переходв обратном направлении), то потенциальный барьер вырастет и ситуация усугубится - область двойного слоя расширится и никакого движения основных носителей заряда че­рез р - n-переход не будет. Повышение потенциального барьера препятствует диффузии основных носителей заряда через р -n ­переход, и она уменьшается, а при некотором значении прило­женного потенциала - совсем прекращается.

Одновременно под действием электрического поля, созданно­го внешним напряжением, основные носители заряда будут отхо­дить от р-n-перехода. Соответственно расширяются слой, обед­ненный носителями заряда, и р - n-переход, причем его сопро­тивление возрастает. В р-области положительные носители заряда (дырки) частично притянутся к отрицательно заряженному элек­троду, увеличив область, занятую диффундировавшими в нее элек­тронами. В n-области электроны притянутся к положительно за­ряженному электроду, обнажив ионы, расположенные в узлах кристаллической решетки, увеличив тем самым область, занятую положительным зарядом в n-области. Таким образом, при таком способе включения область двойного электрического слоя увели­чится и никакого движения основных носителей через р- n-пере­ход не будет.

Внутреннее электрическое поле в р-n-переходе, соответству­ющее возросшему потенциальному барьеру, способствует движе­нию через переход неосновных носителей заряда. При приближе­нии их к р - n-переходу электрическое поле захватывает их и пе­реносит через р- n -переход в область с противоположным типом электропроводности: электроны из р-области в n-область, а дыр­ки - из n-области в р-область. Поскольку количество неосновных носителей заряда очень мало и не зависит от величины приложен­ного напряжения, создаваемый их движением ток через р-n-переход очень мал. Ток, протекающий через р-п-переход при об­ратном напряжении, называется обратным током. Обратный ток по характеру является дрейфовым тепловым током, который не зависит от обратного напряжения.

Процесс захвата электрическим полем р- n -перехода неоснов­ных носителей заряда и пере носа их при обратном напряжении через р- n -переход в область с противоположным типом электро­проводности называется экстракцией. Уход неосновных носителей заряда в результате экстракции приводит к снижению их концен­трации в данной области около границы р- n -перехода практи­чески до нуля. Это вызывает диффузию неосновных носителей за­ряда из глубины области в направлении к р-n-переходу, что ком­пенсирует убыль неосновных носителей, ушедших в другую об­ласть. Движение неосновных носителей заряда создает электриче­ский ток, а компенсация убыли электронов происходит за счет внешней цепи от минуса источника питания.

Рассмотрим включение перехода в прямом направлении, когда к р-области приложен положительный потенциал. Такой потен­циал называется прямым потенциалом, или прямым напряже­нием Поскольку сопротивление перехода во много раз боль­ше сопротивления р- и n-областей, все прямое напряжение по­чти полностью падает на переходе. Полярность внешнего напря­жения противоположна полярности контактной разности по­тенциалов поэтому электрическое поле, созданное на р - п­ переходе внешним напряжением, направлено навстречу внут­реннему электрическому полю. В результате этого потенциаль­ный барьер понижается и становится численно равным разно­сти напряжений, действующих на р - n-переходе. Вследствие раз­ности концентраций дырок в р- и n-областях, а электронов в n­ и р-областяхосновные носители заряда диффундируют через р- n -переход, чему способствует снижение потенциального ба­рьера. Через р-n-переход начинает проходить диффузионный ток. Одновременно с этим основные носители заряда в обеих обла­стях движутся к р- n-переходу, обогащая его подвижными но­сителями и уменьшая таким образом ширину обедненного слоя. Это приводит к снижению сопротивления р-n-переходаи воз­растанию диффузионного тока. Происходит частичная компен­сация заряда двойного электрического слоя и уменьшение раз­меров области, им занимаемой.

Пока существует потенциальный барьер, обедненный слой имеет большое сопротивление и ток ничтожно мал. При увеличе­нии внешнего прямого напряжения потенциальный барьер исче­зает, ширина обедненного слоя стремится к нулю. Дальнейшее увеличение внешнего напряжения при отсутствии двойного элек­трического слоя р- n -перехода, обедненного носителями заряда, при водит к свободной диффузии основных носителей заряда изсвоей области в область с противоположным типом электропро­водности. В результате этого через р- n -переход по цепи потечет сравнительно большой ток, называемый прямым током, который будет возрастать с увеличением прямого напряжения.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный пере­ход из области, где они являются основными, в область, где они являются неосновными, за счет снижения потенциального барье­ра называется инжекцией.В симметричном р-n-переходе инжек­ции дырок из р-области в n-область и электронов из n-области в р-область по интенсивности одинаковы.

Инжектированные в n-область дырки и в р-область электроны имеют вблизи границы большую концентрацию, уменьшающую­ся по мере удаления от границы вглубь соответствующей области из-за рекомбинаций. Большое количество неосновных носителей заряда у границы компенсируется основными носителями заря­да, которые поступают из глубины области. В результате компен­сации объемных зарядов, создаваемых у р- n-перехода инжекти­рованными неосновными носителями, полупроводник становит­ся электрически нейтральным.

Прохождение тока через р-n-переходпри его прямом вклю­чении и запирание его при обратном включении означают, что он обладает выпрямляющим действием и является твердотельным аналогом вакуумного диода. Принципиальное отличие заключает­ся в том, что в твердотельном приборе кроме основных носителей заряда есть и неосновные. Их наличие приводит к появлению шу­мов при прямом включении и возможности электрического про­боя при обратном включении.

Поиск по сайту: