Электронно-дырочный переход. Рассмотрим процессы в n-p-переходе в равновесном состоянии, то есть при отсутствии внешнего источника напряжения (рис.1.1)

Рассмотрим процессы в n-p-переходе в равновесном состоянии, то есть при отсутствии внешнего источника напряжения (рис.1.1). Так как носители заряда совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Концентрация электронов в n-слое больше, чем в p-слое, и часть электронов перейдет из n-слоя в p-слой. Одновременно наблюдается диффузионный переход дырок из p-слоя в n-слой. В результате в n-слое остается нескомпенсированный объемный заряд положительных ионов донорной примеси, а в p-слое - нескомпенсированный объемный заряд отрицательных ионов акцепторной примеси. Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле напряжен-ностью Ек. На потенциальной диаграмме n-p-перехода (рис.1.1б) за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя. В n-p-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному перемещению носителей заряда. Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. На рис.1.1 б изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться из области n в область p.

Таким образом, в n-p-переходе вследствие ухода электронов и дырок вглубь p- и n-областей образуется обедненный зарядами слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением в сравнении с сопротивлением остальных объемов n- и p-областей.

Если источник внешнего напряжения положительным полюсом подключить к полупроводнику p-типа и отрицательным к n-типа (прямое включение), то электрическое поле, создаваемое в n-p-переходе прямым напряжением Uпр, действует навстречу контактной разности потенциалов Uк. Потенциальный барьер понижается до величины Uк-Uпр, уменьшаются толщина запирающего слоя и его сопротивление Rпр.

Если полярность внешнего источника изменить на обратную, то потенциальный барьер возрастает до величины Uк+Uобр. В этом случае через переход могут пройти только неосновные носители: электроны из p-области в n-область и дырки во встречном направлении. Так как концентрация основных носителей заряда на насколько порядков выше концентрации неосновных, то прямые токи на несколько порядков больше обратных. Таким образом, электронно-дырочный переход обладает свойством односторонней проводимости.

Зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода. Она имеет вид

I = I₀ [exp (U/j_T) – 1],

где I₀ – обратный ток насыщения при |–U| >> j_T; j_T –температурный потенциал.

На рисунке 1.2 приведена ВАХ p-n перехода при различных масштабах по осям для положительных (миллиамперы) и отрицательных (микроамперы) значений токов.

При увеличениипрямого напряжения U_пр прямой ток I_пр увеличивается по экспоненте, так как с увеличением U_пр снижается потенциальный барьер и увеличивается диффузия основных носителей.

Величина обратного тока зависит от температуры (на графике Т₂ > Т₁), причем при |U_обр| >> j_T ток I₀ не зависит от обратного напряжения, а обусловлен концентрацией неосновных носителей заряда.

Основные параметры p-n перехода:

а) сопротивление по постоянному току и по переменному току (дифференциальное);

б) барьерная ёмкость(обусловлена наличием зарядов ионов в запирающем слое в условиях равновесия и при обратном смещении перехода) и диффузионная (обусловлена изменением зарядов в переходе за счёт инжекции основных носителей при прямом смещении):

в) температурная зависимость обратного тока.

В p-n переходе возможны пробои – резкое уменьшение обратного сопротивления и резкое возрастание обратного тока при незначительном увеличении напряжения. Различают два вида пробоя:

а) тепловой – в результате недостаточного теплоотвода, когда рассеиваемая мощность на переходе больше мощности отводимой. Пробой необратим, прибор выходит из строя;

б) электрический пробой связан с увеличением напряженности в запирающем слое.

Электрический пробой подразделяется на два вида:

а) лавинный пробой заключается в размножении носителей в сильном электрическом поле за счёт ударной ионизации;

б) туннельный пробой (зенеровский) – в полупроводниках с высокой концентрацией примеси под действием напряженности поля возникает туннельный эффект, т.е. просачивание электронов сквозь потенциальный барьер (если толщина барьера мала) без затраты дополнительной энергии. Туннельный эффект возможен при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны.