pn переход это тонкая область, которая образуется в том месте, где контактируют два полупроводника разного типа проводимости. Каждый из этих полупроводников электрически нейтрален. Основным условием является то что в одном полупроводнике основные носители заряда это электроны а в другом дырки.

При контакте таких полупроводников в результате диффузии зарядов дырка из p области попадает в n область. Она тут же рекомбенирует с одним из электронов в этой области. В результате этого в n области появляется избыточный положительный заряд. А в p области избыточный отрицательный заряд.

Таким же образом один из электронов из n области попадает в p область, где рекомбенирует с ближайшей дыркой. Следствием этого также является образование избыточных зарядов. Положительного в n области и отрицательного в p области.

В результате диффузии граничная область наполняется зарядами, которые создают электрическое поле. Оно будет направлено таким образом, что будет отталкивать дырки находящиеся в области p от границы раздела. И электроны из области n также будут отталкиваться от этой границы.

Если говорить другими словами на границе раздела двух полупроводников образуется энергетический барьер. Чтобы его преодолеть электрон из области n должен обладать энергией больше чем энергия барьера. Как и дырка из p области.

Наряду с движением основных носителей зарядов в таком переходе существует и движение неосновных носителей зарядов. Это дырки из области n и электроны из области p. Они также двигаются в противоположную область через переход. Хотя этому способствует образовавшееся поле, но ток получается, ничтожно мал. Так как количество неосновных носителей зарядов очень мало.

Если к pn переходу подключить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении, то есть к области p подвести высокий потенциал, а к области n низкий. То внешнее поле приведет к уменьшению внутреннего. Таким образом, уменьшится энергия барьера, и основные носители заряда смогут легко перемещаться по полупроводникам. Иначе говоря, и дырки из области p и электроны из области n будут двигаться к границе раздела. Усилится процесс рекомбинации и увеличится ток основных носителей заряда.

Рисунок 1 — pn переход, смещённый в прямом направлении

Если разность потенциалов приложить в обратном направлении, то есть к области p низкий потенциал, а к области n высокий. То внешнее электрическое поле сложится с внутренним. Соответственно увеличится энергия барьера не дающего перемещаться основным носителям зарядов через переход. Другими словами электроны из области n и дырки из области p будут двигаться от перехода к внешним сторонам полупроводников. И в зоне pn перехода попросту не останется основных носителей заряда обеспечивающих ток.

Рисунок 2 — pn переход, смещённый в обратном направлении

Если обратная разность потенциалов будет чрезмерно высока, то напряжённость поля в области перехода увеличится до тех пор, пока не наступит электрический пробой. То есть электрон ускоренный полем не разрушит ковалентную связь и не выбьет другой электрон и так далее.

Электронно-дырочный переход (сокращенно n-р-переход) возникает в полупроводниковом кристалле, имеющем одновременно области с n-типа (содержит донорные примеси) и р-типа (с акцепторными примесями) прово-димостями на границе между этими областями.

Допустим, у нас есть кристалл, в котором справа находится область полупроводника с дырочной, а слева - с электронной проводимостью (рис. 1). Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа. При этом в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион донора.

Перейдя в область с дырочной проводимостью, электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, при этом в области р-типа образуется нескомпенсированный ион акцептора.

Аналогично электронам дырки из области р-типа диффундируют в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный ион акцептора. Перейдя в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате этого в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион донора.

Диффузия основных носителей через переход создает электрический ток I осн, направленный из р-области в n-область.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина l которого не превышает долей микрометра.

Между слоями ионов возникает электрическое поле с напряженностью \(~\vec E_i\). Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей: электронов из n-области и дырок из р-области.

Необходимо заметить, что в n-области наряду с электронами имеются неосновные носители - дырки, а в р-области - электроны. В полупроводнике непрерывно происходят процессы рождения и рекомбинации пар. Интенсивность этого процесса зависит только от температуры и одинакова во всем объеме полупроводника. Предположим, что в n-области возникла пара "электрон-дырка". Дырка будет хаотически перемещаться по η области до тех пор, пока не рекомбинирует с каким-либо электроном. Однако если пара возникает достаточно близко к переходу, то прежде, чем произойдет рекомбинация, дырка может оказаться в области, где существует электрическое поле, и под его действием она перейдет в р-область, т.е. электрическое поле перехода способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Соответственно, создаваемый ими ток I неосн мал. так как неосновных носителей мало.

Таким образом, возникновение электрического поля \(~\vec E_i\) приводит к появлению неосновного тока I неосн. Накопление зарядов около перехода за счет диффузии и увеличение \(~\vec E_i\) будут продолжаться до тех пор, пока ток I неосн не уравновесит ток I осн (I неосн = I осн) и результирующий ток через электронно-дырочный переход станет равным нулю.

Если к n-р-переходу приложить разность потенциалов, то внешнее электрическое поле \(~\vec E_{ist}\) складывается с полем \(~\vec E_i\) . Результирующее поле, существующее в области перехода, \(~\vec E = \vec E_{ist} + \vec E_i\). Токи I осн и I неосн совершенно различно ведут себя по отношению к изменению поля в переходе, I неосн с изменением поля очень слабо изменяется, так как он обусловлен количеством неосновных носителей, а оно в свою очередь зависит только от температуры.

I осн (диффузия основных носителей) очень чувствителен к полю напряженностью \(~\vec E\). I осн быстро увеличивается с ее уменьшением и быстро падает при увеличении.

Пусть клемма источника тока соединена с n-областью. а "-" - с р-областью (обратное включение (рис. 2, а)). Суммарное поле в переходе усиливается: E > E ist и основной ток уменьшается. Если \(~\vec E\) достаточно велика, то I осн << I неосн и ток через переход создается неосновными носителями. Сопротивление n-р-перехода велико, ток мал.

Если включить источник так, чтобы область n-типа оказалась подключена к а область р-типа к (рис. 2, б), то внешнее поле будет направлено навстречу \(~\vec E_i\), и \(~\vec E = \vec E_i + \vec E_{ist} \Rightarrow E = E_i - E_{ist} < E_i\), т.е. поле в переходе ослабляется. Поток основных носителей через переход резко увеличивается, т.е. I осн резко возрастает.

Электронно-дырочный переход (p –n -переход) – это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.

Области разделены плоскостью, где изменяется тип преобладающих примесей и называемой металлургической границей. Вблизи металлургической границы существует обедненный подвижными носителями заряда слой, где присутствуют неподвижные ионизированные атомы примеси (рис. 3.1).

Рис. 3.1 . Электронно-дырочный переход

Неподвижные ионы в обедненном слое создают объемные электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Тем самым создается диффузионное электрическое поле напряженностью Е диф и контактная разность потенциалов к. Величина контактной
разности потенциалов зависит от концентрации акцепторной примеси
N A , N D и температуры:

.

Толщина обедненного слоя также зависит от концентрации при­месей:

,

где А – коэффициент, определяемый материалом полупроводника.

3.2. Ток через p–n- переход

Через p–n -переход течет ток, представляющий сумму диффузионной и дрейфовой составляющих. Диффузионный ток образуется основными носителями заряда, для движения которых диффузионное поле является тормозящим. Увеличение диффузионного тока увеличивает напряженность поля Е диф, контактную разность потенциалов и потенциальный барьер . Это приводит к уменьшению тока. Таким образом устанавливается равновесие.

Дрейфовый ток образуется неосновными носителями заряда, для которых диффузионное поле является ускоряющим.

В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю:

I диф + I др = 0.

3.3. Прямое включение p –n -перехода

Прямым называется такое включение, при котором создаваемое внешним напряжением поле направлено против диффузионного поля (рис. 3.2).

Рис. 3.2 . Прямое включение p–n -перехода

В результате контактная разность потенциалов уменьшается, потенциальный барьер снижается, ток основных носителей заряда через переход увеличивается.

3.4. Обратное включение p – n -перехода

Обратное включение p – n -перехода характеризуется тем, что напряженность поля, создаваемого внешним напряжением, совпадает по направлению с напряженностью диффузионного поля (рис. 3.3).

Рис. 3.3 . Обратное включение p –n -перехода

В результате контактная разность потенциалов увеличивается, потенциальный барьер повышается, ток основных носителей заряда через переход уменьшается.

3.5. (ВАХ)
идеализированного p–n- перехода

Вольт-амперная характеристика p –n -перехода – это зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения.

Идеализация p–n -перехода заключается в принятии следующих
допущений.

1. Прилегающие к переходу области p и n характеризуются нулевым удельным сопротивлением. Поэтому внешнее напряжение прикладывается непосредственно к p –n -переходу.

2. В области p –n -перехода отсутствуют процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда. Тогда ток через переход в зависимости от приложенного к переходу внешнего напряжения U внеш, т.е. вольт-амперную характеристику, можно описать формулой Шокли:

,

где I 0 – тепловой ток, который создается неосновными носителями заряда и зависит от трех факторов:

1) концентрации неосновных носителей заряда, обратно пропорциональной концентрации примесей;

2) ширины запрещенной зоны Чем больше тем мень-
ше I 0 ;

3) температуры. С увеличением температуры растет скорость генерации носителей заряда и увеличивается их концентрация.

3.6. Зонная (энергетическая) диаграмма
p–n- перехода

При U внеш = 0. Состояние равновесия. Уровень Ферми имеет одно значение для всей структуры (рис. 3.4).

При U внеш 0. Прямое включение p–n -перехода (рис. 3.5).

Рис. 3.4. Зонная диаграмма равновесного p–n -перехода

Рис. 3.5 . Зонная диаграмма при прямом включении p -n -перехода

При U внеш 0. Обратное включение p–n -перехода (рис. 3.6).

Рис. 3.6 . Зонная диаграмма при обратном включении p –n -перехода

3.7. Отличия ВАХ реального
и идеализированного p–n -переходов

Реальные p–n -переходы являются, как правило, несимметричными. При этом концентрация примеси в одной области превышает концентрацию примеси в другой. Область с большей концентрацией называется эмиттером, с меньшей – базой. Меньшая концентрация примесей означает меньшую электропроводность и большее удельное сопротивление. Поэтому в реальных p–n -переходах пренебрегать удельным
сопротивлением базы нельзя. Эквивалентная схема реального
p–n -перехода имеет вид (рис. 3.7).

Рис. 3.7 . Эквивалентная схема реального p–n -перехода

Вторым отличием реального p–n -перехода от идеализированного является наличие в обедненном слое процессов генерации и рекомбинации носителей заряда. Поэтому при обратном включении ток через переход не постоянен, а зависит от приложенного к переходу напряжения (рис. 3.8).

Рис. 3.8 . Отличие ВАХ реального p –n -перехода от идеализированного

Третье отличие заключается в присутствии явления пробоя при
обратном включении p–n -перехода.

3.8. Пробой p–n -перехода

Пробой проявляется как резкое увеличение тока через
p –n -пере­ход при незначительном изменении приложенного обратного напряжения.

Различают три вида пробоя.

Лавинный пробой – возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей заряда путем ударной ионизации. Напряжение, при котором он появляется, увеличивается с ростом температуры (рис. 3.9).

Рис. 3.9. ВАХ при лавинном пробое

Туннельный пробой – возникает за счет перехода электронов из связанного состояния в свободное без сообщения им дополнительной энергии. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис. 3.10).

Рис. 3.10. ВАХ при туннельном пробое p–n -перехода

Тепловой пробой – это пробой, развитие которого обусловлено выделением тепла вследствие прохождения тока через переход. В отличие от лавинного и туннельного является необратимым, т. е. в результате пробоя переход перестает работать. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис. 3.11).

Рис. 3.11 . ВАХ при тепловом пробое p–n -перехода

3.9. Зависимость ВАХ p –n -перехода
от температуры

С ростом температуры ток через p–n -переход при прямом включении растет из-за увеличения энергии носителей электрического заряда, которые за счет этого легче преодолевают потенциальный барьер.

При обратном включении p–n -перехода с ростом температуры ток через него увеличивается за счет повышения скорости генерации носителей заряда в переходе (рис. 3.12).

Рис. 3.12. Зависимость ВАХ p–n -перехода от температуры

3.10. Зависимость ВАХ p–n- перехода от материала полупроводника

Вольт-амперная характеристика p – n -перехода зависит от ширины запрещенной зоны энергетической диаграммы материала полупроводника.

Чем больше ширина запрещенной зоны , тем меньше скорость тепловой генерации и меньше концентрация неосновных носителей, создающих обратный ток I 0 . Следовательно, обратный ток меньше.

При прямом включении p – n -перехода ток через него будет тем больше, чем меньше ширина запрещенной зоны. Действительно, ток через p – n -переход определяется как

.

С увеличением значения ток I 0 уменьшается и ток I также уменьшается.

Для наиболее распространенных полупроводниковых материалов Ge, Si и GaAs ВАХ соотносятся следующим образом (рис. 3.13).

Рис. 3.13 . Зависимость ВАХ p–n -перехода
от материала

3.11. Емкость p–n -перехода

В обедненном слое p – n -перехода присутствуют объемные заряды, которые образованы зарядами ионизированных донорных и акцепторных примесей. Эти заряды равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому обедненный слой подобен конденсатору. Так как заряды определяют потенциальный барьер, то емкость называется барьерной. Ее величина равна

Где ,

где S – площадь p–n -перехода, U – внешнее напряжение, приложенное к переходу, n = 0,5 для резкого перехода, n = 0,3 для плавного перехода.

Зависимость величины барьерной емкости от величины приложенного к переходу напряжения называется вольт-фарадной характеристикой (рис. 3.14).

При прямом включении p–n -пере­хода происходит процесс инжекции неосновных носителей заряда. Появляются избыточные концентрации неосновных носителей в каждой области и в соответствии с условием электрической нейтральности равные им избыточные концентрации основных носителей. Таким образом, в n -области (как в конденсаторе) оказываются в равном количестве положительный заряд избыточных дырок (неосновные носители) и отрицательный заряд избыточных электронов (основные носители). Аналогично p -область ведет себя как конденсатор с отрицательным зарядом избыточных электронов (неосновные носители) и равным ему положительным зарядом избыточных дырок (основные носители).

Процесс накопления избыточных зарядов принято характеризовать диффузионной емкостью, которая учитывает изменение избыточных носителей (дырок и электронов) в обеих областях при изменении напряжения.

Диффузионная емкость определяется прямыми диффузионными токами дырок I p и электронов I n (отсюда название емкости) и временем жизни неосновных носителей и :

.

Диффузионные токи I p и I n растут с увеличением прямого напряжения на p-n -переходе и быстро обращаются в нуль при обратном. Поэтому зависимость С диф от напряжения примерно повторяет ход прямой ветви ВАХ p–n -перехода.

Эквивалентная схема p–n -пере­хо­да, учитывающая его емкостные свой­ства, приведена на рис. 3.15.

3.12. Контакт металл–полупроводник

Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей приборов и создания быстродействующих диодов. Тип контакта металл–полупроводник определяется работой выхода электронов из металла и полупроводника, током проводимости полупроводника и концентрацией примеси в нем.

Работа выхода электронов – это энергия, необходимая для перевода электронов с уровня Ферми на потолок верхней свободной зоны.

При идеальном контакте металла с полупроводником и без учета поверхностных состояний происходит диффузия электронов преимущественно из материала с меньшей работой выхода. В результате диффузии и перераспределения зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникают контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов

где А м, А п – работа выхода электронов из металла и полупроводника.

Переходный слой, в котором существует контактное (или диффузионное) электрическое поле и который образован в результате контакта между металлом и полупроводником, называется переходом Шоттки.

В зависимости от типа электропроводности полупроводника и от соотношения работ выхода в полупроводнике может возникать обедненный или обогащенный слой. Если работа выхода в металле меньше работы выхода в полупроводнике А м < А п, то электроны с большей вероятностью будут переходить из металла в полупроводник. Это приводит к образованию в полупроводнике обедненного слоя, если полупроводник p -типа, или даже инверсного слоя, если А м << А п. Если полупроводник n -типа, то образуется обогащенный слой.

В обедненных слоях пространственный заряд формируется в результате нарушения компенсации заряда ионизированных примесей основными носителями, а в обогащенных – из-за накопления основных носителей заряда. Обогащенный слой обусловливает малое сопротивление приконтактной области полупроводника по сравнению с сопротивлением объема полупроводника. Поэтому такой переход не обладает выпрямляющими свойствами и образует омический контакт. При наличии обедненного или инверсного слоя переход Шоттки обладает выпрямляющими свойствами, так как внешнее напряжение, падая в основном на высокоомном переходе, будет изменять высоту его потенциального барьера, изменяя условия прохождения носителей заряда через переход.

Характерной особенностью выпрямляющего перехода Шоттки в отличие от p–n -перехода является разная высота потенциальных барьеров для электронов и дырок. В результате через переход Шоттки может не происходить инжекция неосновных носителей заряда в полупроводник. Поэтому они не накапливаются и нет необходимости в их рассасывании. Отсюда высокое быстродействие перехода Шоттки.

Гетеропереходы

Гетеропереходом называется переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.

Ширина электрических зон различных полупроводников различна. Поэтому на границе раздела двух полупроводников (на металлургическом контакте гетероперехода) получается разрыв дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. В результате разрывов высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обуславливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие от p –n -переходов.

Гетеропереходы могут образовываться полупроводниками с различным типом проводимости: p –n , p –p , n –n . В зависимости от типа проводимости и ширины запрещенной зоны энергетических диаграмм ток через переход может определяться как электронами, так и дырками. Например, через контакт германия p -типа и арсенида галлия n -типа течет в основном электронный ток (рис. 3.16).

Рис. 3.16. Зонная диаграмма перехода Ge (p -типа) – GaAs (n -типа)

Через переход германий p -типа, арсенид галлия p -типа течет в основном дырочный ток (рис. 3.17).

Рис. 3.17 . Зонная диаграмма перехода Ge (p -типа) – GaAs (p -типа)

Для формирования качественного гетероперехода необходимо совпадение типа, ориентации и периода кристаллических решеток контактирующих полупроводников, чтобы кристаллическая решетка одного полупроводника с минимальным количеством нарушений переходила в кристаллическую решетку другого полупроводника. Наиболее широкое применение в полупроводниковых приборах имеют гетеропереходы между полупроводниками на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов галлия и алюминия. Благодаря близости ковалентных радиусов галлия и алюминия изменения химического состава полупроводников в гетеропереходе происходят без изменения периода кристаллической решетки. Гетеропереходы создают также на основе многокомпонентных твердых растворов, в которых при изменении состава в широких пределах период решетки не изменяется.

3.14. Структура металл–диэлектрик–полупроводник

Структуры металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) составляют основу полевых МДП транзисторов, фотоэлектрических приборов, конденсаторов, управляемых напряжением, а также широко используются в интегральных схемах.

Простейшая МДП структура содержит полупроводниковый кристалл – подложку, слой диэлектрика, металлический электрод – затвор, омический контакт к подложке (рис. 3.17).

Рис. 3.17 . Простейшая МДП структура

Структура имеет два вывода – затвор и контакт к подложке и является МДП конденсатором, емкость которого зависит от напряжения U между затвором и выводом подложки.

Напряжение затвора создает электрическое поле, проникающее через тонкий (0,03…0,1 мкм) слой диэлектрика в приповерхностный слой полупроводника, где оно изменяет концентрацию носителей. В зависимости от значения напряжения наблюдаются режимы обогащения, обеднения или инверсии.

Эквивалентную схему МДП структуры можно представить последовательным включением двух конденсаторов С D – емкость диэлектрика и С g :

где J п – плотность заряда нескомпенсированных ионов примесей и подвижных носителей заряда в полупроводнике, j пов – напряжение в поверхностном слое полупроводника, S – площадь затвора.

Наиболее широко применяется МДП структура на основе кремния, где диэлектриком служит диоксид кремния, затвором – пленка алю­миния.

Похожая информация.

Электро́нно-ды́рочный перехо́д (p-n- переход, n-p -переход), переходная область полупроводника , в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p .Электронно-дырочный переход является основой широкого класса твердотельных приборов для нелинейного преобразования электрических сигналов в различных устройствах электронной техники.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если напряжение источника питания приложено таким образом, что плюс подсоединен к p- области кристалла, а минус - к n- области, то такое направление называется пропускным. В этом случае внешнее поле направлено против контактного, то есть потенциальный барьер понижается (прямое смещение). С ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. Концентрация неосновных носителей по обе стороны электронно-дырочного перехода увеличивается за счет инжекции неосновных носителей, одновременно в р- и n- области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих нейтрализацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через электронно-дырочный переход. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает.

При обратной полярности (обратном смещении), когда положительный полюс источника питания подключен к n- области, а отрицательный - к р- области, потенциал в области перехода становится равным UD + U , где U - величина приложенного напряжения.

Повышение потенциального барьера приводит к тому, диффузия основных носителей через p-n- переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей через переход не изменяются, поскольку для них барьера не существует. Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n- переход течет ток насыщения, который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения.

Таким образом, зависимость тока через p-n- переход от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака напряжения ток через p-n- переход может меняться в 10 5 -10 6 раз. Благодаря этому p-n- переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов (см. Полупроводниковый диод).

Характер вольт-амперной характеристики - кривизна восходящей ветви, напряжение отсечки, абсолютные значения токов, коэффициент выпрямления (отношение прямого и обратного токов при напряжении 1 В), и другие параметры определяются видом полупроводника, концентрацией и типом распределения примесей вблизи n-p -перехода.

Изменение напряжения, приложенного к p-n- переходу, приводит к расширению или уменьшению области пространственного заряда. Объемные заряды представляют собой неподвижные и связанные с кристаллической решеткой ионы доноров и акцепторов, поэтому увеличение объемного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением емкости p-n- перехода. При прямом смещении к емкости слоя объемного заряда, которая называется также зарядной или барьерной екостью, добавляется диффузионная емкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на p-n- переход приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Зависимость емкости от приложенного напряжения позволяет использовать p-n- переход как электрический конденсатор переменной емкости - варикап .

Зависимость сопротивления p-n- перехода от величины и знака приложенного напряжения позволяет использовать его в качестве регулируемого сопротивления - варистора .

При подаче на электронно-дырочный переход достаточно высокого обратного смещения U = U пр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток. Состояние, при котором происходит электрический пробой p-n- перехода, является нормальным режимом работы некоторых полупроводниковых приборов, например, стабилотронов .

В зависимости от физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают три основных механизма пробоя p-n- перехода: туннельный, лавинный, тепловой.

Туннельный (зинеровский) пробой, возникает при туннелировании носителей сквозь барьер (см. Туннельный эффект), когда происходит, например, туннельное просачивание электронов из валентной зоны p -области в зону проводимости n -области полупроводника. Туннелирование электронов происходит в том месте p-n -перехода, в котором в результате его неоднородности возникает наиболее высокая напряженность поля. Напряжение туннельного пробоя p-n- перехода зависит не только от концентрации легирующей примеси и критической напряженности поля, при которой происходит возрастание туннельного тока через p-n- переход, но и от толщины p-n- перехода. С увеличение толщины p-n- перехода вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается, и более вероятным становится лавинный пробой.

При лавинном пробое p-n- перехода на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель заряда приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки, то есть в его основе лежит ударная ионизация. С ростом напряженности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер. В результате ток в p-n- переходе неограниченно возрастает до теплового пробоя.

Тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода, как правило, локализуется в отдельных областях, где наблюдается неоднородность структуры p-n- перехода, а, следовательно, и неоднородность протекающего через него обратного тока. Повышение температуры вызывает дальнейшее увеличение обратного тока, что в свою очередь, вызывает увеличение температуры. Тепловой пробой - необратимый процесс, преобладающий в полупроводниках с относительно узкой запрещенной зоной .

В p-n- переходах может также наблюдаться поверхностный пробой. Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной заряда, локализованного на поверхности полупроводника в месте выхода p-n- перехода наружу. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.

Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости емкости от напряжения, p-n- переходы находят многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Концентрация неосновных носителей существенно изменяется при различных внешних воздействиях - тепловых, механических, оптических и др. На этом основан принцип работы различного рода датчиков: температуры, давления, ионизирующих излучений и т. д. p-n- переходы используются также для преобразования световой энергии в электрическую в солнечных батареях.

Электронно-дырочные переходы являются не только основой разного рода полупроводниковых диодов, но также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы - транзисторы , тиристоры и т. д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в p-n- переходах используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах.

По способности проводить электрический ток твёрдые тела первоначально разделяли на проводники и диэлектрики. Позже было замечено, что некоторые вещества проводят электрический ток хуже, чем проводники, но и к диэлектрикам их тоже нельзя отнести. Их выделили в отдельную группу полупроводников. Характерные отличия полупроводников от проводников:

1. Значительная зависимость проводимости полупроводников от температуры.
2. Сильное влияние на проводимость полупроводников даже незначительного количества примесей.
3. Влияние на их проводимость различных излучений (световых, радиационных и др.). По этим особенностям полупроводники ближе к диэлектрикам, чем к проводникам.

Для производства полупроводниковых приборов используются в основном германий, кремний, арсенид галлия. Германий является редким элементом, рассеянным в природе, кремний же наоборот очень распространён. Однако встречается не в чистом виде, а только в виде соединений с другими элементами, в основном с кислородом. Арсенид галлия – это соединение мышьяка с галлием. Его стали применять сравнительно недавно. По сравнению с германием и кремнием арсенид галлия меньше подвержен воздействию температуры и радиации.

Для понятия механизма работы полупроводниковых приборов нужно сначала ознакомиться с проводимостью в полупроводниках и механизмом образования p

Наиболее широко используются полупроводники германий и кремний. Они относятся к IV группе периодической системы Менделеева. На внешней оболочке атома германия (или кремния) находятся 4 валентных электрона. Каждый из них образует с соседними четырьмя атомами ковалентные связи. Они образуются двумя электронами, каждый из которых принадлежит одному из соседних атомов. Парноэлектронные связи очень устойчивы, поэтому каждая электронная пара прочно связана со своей атомной парой и не может свободно перемещаться в объёме полупроводника. Это справедливо для химически чистого полупроводника, находящегося при температуре близкой к 0 К

(абсолютный нуль). При повышении температуры атомы полупроводника начинают совершать тепловое колебательное движение. Энергия этого движения передаётся электронам, и для некоторых из них она оказывается достаточной, чтобы оторваться от своих атомов. Эти атомы превращаются в положительные ионы, а оторвавшиеся электроны могут свободно перемещаться, т.е. становятся носителями тока. Если говорить точнее, уход электрона приводит к частичной ионизации 2-х соседних атомов. Появляющийся при этом единичный положительный заряд следует относить не к тому или иному атому, а к нарушению парноэлектронной связи, оставленной электроном. Отсутствие электрона в связи называется дыркой. Дырка имеет положительный заряд равный по абсолютной величине заряду электрона. Дырка может быть занята одним из электронов соседней связи, при этом образуется дырка в соседней связи. Переход электрона из одной связи в другую соответствует перемещению дырки в обратном направлении. Практически удобнее рассматривать непрерывное движение положительного заряда, чем поочерёдное перемещение электронов из связи в связь. Проводимость, которая возникает в объёме полупроводника за счёт нарушения связей, называется собственной проводимостью . Различают два типа проводимости: n – типа и p - типа (от слов negative – отрицательный, positive – положительный). Проводимость n – типа называют электронной, а p – типа – дырочной.

Отметим, что нарушение валентных связей может происходить не только за счёт тепловой энергии, но и за счёт энергии света или энергии электрического поля.

Всё, что мы рассмотрели, относится к чистым полупроводникам, т.е. к полупроводникам без примесей. Введение же примесей изменяет электрические свойства полупроводника. Атомы примеси в кристаллической решётке занимают места основных атомов и образуют парноэлектронные связи с соседними атомами. Если в структуру чистого полупроводника (германия) ввести атом вещества, относящегося к V группе периодической системы элементов (например, атом мышьяка), то этот атом также будет образовывать связи с соседними атомами германия. Но атомы V группы имеют на внешней оболочке 5 валентных электронов. Четыре из них образуют устойчивые парноэлектронные связи, а пятый окажется лишним. Этот избыточный электрон связан со своим атомом намного слабее и, чтобы оторвать его от атома, требуется меньше энергии, чем для освобождения электрона из парноэлектронной связи. Кроме того, превращение такого электрона в свободный носитель заряда не связано с одновременным образованием дырки. Уход электрона с внешней оболочки атома мышьяка превращает его в положительный ион. Тогда уже можно говорить об ионизации данного атома, этот положительный заряд не будет перемещаться, т.е. не является дыркой.

При увеличении содержания мышьяка в кристалле германия увеличивается количество свободных электронов без увеличения количества дырок, как это имело место при собственной проводимости. Если концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок, то основными носителями тока будут электроны. В этом случае полупроводник называют полупроводником n – типа. Теперь введём в кристалл германия атом III группы, например, атом индия. У него три валентных электрона. Он образует устойчивые связи с тремя атомами германия. Четвёртая связь остаётся незаполненной, но не несёт в себе заряда, поэтому атом индия и смежный с ним атом германия остаются электрически нейтральными. Уже при небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних парноэлектронных связей может перейти в эту четвёртую связь.

Что при этом произойдёт? Во внешней оболочке индия появится лишний электрон, атом превращается в отрицательный ион. Нарушится электрическая нейтральность в той парноэлектронной связи, откуда пришёл электрон. Появится положительный заряд – дырка в этой нарушенной связи. При увеличении содержания индия будет увеличиваться количество дырок, и они станут основными носителями заряда. В этом случае полупроводник называется полупроводником p – типа.

Электронно-дырочный переход (p – n переход).

p – n переходом называют область, находящуюся на границе раздела между дырочной и электронной областями одного кристалла. Переход создаётся не простым соприкосновением полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области.

Рис.1. Механизм образования и действия p – n перехода.

а – основные и неосновные носители в областях полупроводника.

б – образование p – n перехода.

в – направление протекания диффузионного тока и тока проводимости.

г – p–n переход под действием внешнего обратного напряжения.

1 – электроны; 2 – дырки; 3 – граница раздела; 4 – неподвижные ионы.

Рассмотрим полупроводник, в котором имеются две области: электронная и дырочная. В первой – высокая концентрация электронов, во второй – высокая концентрация дырок. Согласно закону выравнивания концентрации электроны стремятся перейти (диффундировать) из n – области, где их концентрация выше в p – область, дырки же – наоборот. Такое перемещение зарядов называется диффузией. Ток, который при этом возникает – диффузионным. Выравнивание концентраций происходило бы до тех пор, пока дырки и электроны не распределились бы равномерно, но этому мешают силы возникающего внутреннего электрического поля. Дырки, уходящие из p – области оставляют в ней отрицательно ионизированные атомы, а электроны, уходящие из n области – положительно ионизированные атомы. В результате дырочная область становится заряженной отрицательно, а электронная – положительно. Между областями возникает электрическое поле, созданное двумя слоями зарядов.

Таким образом, вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположных по знаку зарядов, которые образуют так называемый p – n переход. Между p и n областями устанавливается потенциальный барьер. В рассматриваемом случае внутри образовавшегося p – n перехода действует электрическое поле Е, созданное

двумя слоями противоположных зарядов. Если направление электронов, попавших в электрическое поле, совпадает с ним, то электроны тормозятся. Для дырок – наоборот. Таким образом, благодаря возникшему электрическому полю, процесс диффузии прекращается. На РИС.1 видно, что и в n- и в p- области имеются как основные, так и неосновные носители заряда. Неосновные носители образуются за счёт собственной проводимости. Электроны p – области, совершая тепловое хаотическое движение, попадают в электрическое поле p – n перехода и переносятся в n область. То же происходит с дырками n – области. Ток, образованный основными носителями, называют диффузионным током, а неосновными - током проводимости. Эти токи направлены навстречу друг другу, и так как в изолированном проводнике общий ток равен нулю, то они равны. Приложим теперь к переходу внешнее напряжение плюсом к n – области, а минусом к p – области. Поле, создаваемое внешним источником, усилит действие внутреннего поля p – n перехода. Диффузионный ток уменьшится до нуля, так как электроны из n – области и дырки из p – области увлекаются от p – n перехода к внешним контактам, в результате чего p – n переход расширяется. Через переход проходит только ток проводимости, который называют обратным. Он состоит из электронного и дырочного токов проводимости. Напряжение, приложенное таким образом, называют обратным напряжением. Зависимость тока от напряжения показана на рисунке.

Рис. Вольт-амперная характеристика p-n перехода. 2 – прямая ветвь; 1 – обратная ветвь.

Если внешнее напряжение приложено плюсом к p – области, а минусом к n – области, то электрическое поле источника будет направлено навстречу полю p – n перехода и ослабит его действие. При этом увеличится диффузионный (прямой) ток (2). Это явление положено в основу работы полупроводникового диода.