Электронно-дырочный переход

Граница между двумя соседними областями полупроводника, одна из которых обладает проводимостью n-типа, а другая p-типа, называется электронно-дырочным переходом (p-n-переходом). Он является основой большинства полупроводниковых приборов. Наиболее широко применяются плоскостные и точечные p-n-переходы.

Плоскостной p-n-переход представляет собой слоисто-контактный элемент в объеме кристалла на границе двух полупроводников с проводимостями p- и n-типов
(рис. 1.2, а). В производстве полупроводниковых приборов и интегральных микросхем применяются переходы типа р⁺- n- или р- п⁺ переходы. Индекс «+» подчеркивает большую электропроводность данной области монокристалла.

Рис. 1.2 Плоскостный (а) и точечный (б) p-n переходы

Рассмотрим физические процессы в плоскостном p-n-переходе (рис. 1.3). Поскольку концентрация электронов в полупроводнике n-типа значительно больше, чем в полупроводнике p-типа и, напротив, в полупроводнике p-типа высокая концентрация дырок, то на границе раздела полупроводников создается перепад (градиент) концентрации дырок dp/dx и электронов dn/dx. Это вызывает диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область и дырок в противоположном направлении. Плотности дырочной и электронной составляющих диффузионного тока, обусловленных перемещением основных носителей, определяются выражениями:

, (1.7)

,

где D_n и D_p – коэффициенты диффузии соответственно электронов и дырок.

Рис. 1.3 Структура p-n перехода   Электрический заряд дырки в формуле (1.7) принят равным электрическому заряду электрона, но противоположного знака, а знак «—» при dp/dx и dn/dx указывает, что диффузия идет в сторону уменьшения концентрации. В результате ухода электронов из приконтактной области n-типа и дырок из приконтактной области p-типа на этих участках образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой и появляется нескомпенсированный положительный заряд за счет ионов донорной примеси (в приконтактной области n-типа) и отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси (в приконтактной области p-типа). Обедненный слой представляет таким образом область полупроводника с соответствующей плотностью объемного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля (на рис. 1.3 направление напряженности этого поля отражено вектором E, препятствующего дальнейшему диффузионному перемещению электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и дырок в противоположном направлении. Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью, так как в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда, его еще называют запирающим слоем. Под действием электрического поля через p-n-переход могут перемещаться (дрейфовать) лишь неосновные носители, т. е. дырки из полупроводника n-типа и электроны из полупроводника p-типа, которые обусловливают дрейфовый ток. Плотность дырочной и электронной составляющих дрейфового тока можно определить, воспользовавшись значениями проводимостей собственного полупроводника из выражения (1.6): , (1.8) . (1.9) Общая плотность тока через p-n-переход определяется суммой диффузионных и дрейфовых составляющих плотностей токов, которые при отсутствии внешнего напряжения равны. Так как диффузионный и дрейфовый потоки зарядов через p-n-переход перемещаются во встречном направлении, то они компенсируют друг друга. Поэтому в равновесном состоянии общая плотность тока через p-n-переход равна . Наличие двойного электрического слоя обусловливает возникновение в p-n-переходе контактной разности потенциалов, претерпевающей наибольшее изменение на границе полупроводников n-p-типов и называемой потенциальным барьером jк. Величина потенциального барьера определяется уравнением где jТ = kT/q – тепловой потенциал (при нормальной температуре, т. е. при T =300 К jТ » » 0,026 В); рп и np – концентрация дырок и электронов в полупроводниках n- и р-типов. У германиевых переходов jТ = (0,3 - 0,4) В, у кремниевых jТ = (0,7 - 0,8) В. Если подключить к p-n-переходу источник внешнего напряжения таким образом, чтобы плюс был приложен к области полупроводника n-типа, а минус – к области полупроводника p-типа (такое включение называют обратным, рис. 1.4), то обедненный слой расширяется, так как под воздействием внешнего напряжения электроны и дырки смещаются от p-n-перехода в разные стороны. При этом высота потенциального барьера также возрастает и становится равной jк+ u (рис. 1.5), поскольку напряжение внешнего смещения включено согласно контактной разности потенциалов.   Рис 1.4 Обратное смещение перехода   Рис 1.5 Изменение потенциального барьера   Увеличение потенциального барьера нарушает состояние термодинамического равновесия. При этом диффузионная составляющая плотности тока через p-n-переход уменьшается. Дрейфовая же составляющая плотности тока не изменяется, поскольку при увеличении обратного напряжения увеличивается лишь скорость дрейфа неосновных носителей, а не их концентрация, которая определяется процессом термогенерации. Ток через p-n-переход в этом случае определяется выражением . (1.10) При обратном напряжении U ³ (4...5) jТ » (0,1...0,13). Первой (диффузионной) составляющей тока I0e-|U|/jТ в уравнении (1.10) можно пренебречь, а обратный ток достигает насыщения (Iобр = I0), величина которого не зависит от уровня обратного напряжения. Таким образом, обратный ток определяется неосновными носителями в полупроводнике (дрейфовой составляющей тока). Если величина обратного напряжения превышает некоторое значение Uобр. пр, называемое пробивным, обратный ток I0 резко возрастает. Если его не ограничить, то произойдет электрический пробой p-n-перехода, сопровождаемый частотепловым пробоем. Электрический пробой объясняется тем, что при Uобр > Uобр пр электрическое поле в p-n-переходе становится столь сильным, что в состоянии сообщить электронам и дыркам энергию, достаточную для ударной ионизации вещества перехода с лавинообразным процессом размножения дополнительных пар зарядов. Теперь подключим к р-n-переходу внешний источник напряжения так, как это показано на рис. 1.6. Это так называемое прямое включение p-n-перехода. В результате потенциальный барьер уменьшится на величину напряжения u (рис. 1.7), дрейфовый ток уменьшится, р-n-переход перейдет в неравновесное состояние, и через него будет протекать так называемый прямой ток. Обедненный слой p-n-перехода сужается, а его проводимость увеличивается. Это связано с тем, что обедненный слой пополняется основными носителями заряда из объемов областей n- и p-типов, поскольку под воздействием Uпр электроны и дырки движутся навстречу друг другу к p-n-переходу.   Рис 1.6 Прямое смещение перехода   Рис 1.7 Изменение потенциального барьера   Так как напряжение внешнего источника прикладывается встречно контактной разности потенциалов, то потенциальный барьер снижается на величину u (см. рис. 1.7), и создаются условия для инжекции основных носителей – дырок из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа, а электронов – в противоположном направлении. При этом через p-n-переход протекает большой прямой ток, обусловленный основными носителями заряда. Дальнейшее снижение потенциального барьера ведет к росту прямого тока при неизменном значении обратного дрейфового тока. В процессе технологической обработки кристалла примесь вводится таким образом, что ее концентрация, а следовательно, концентрация основных носителей в одной из областей кристалла (обычно в полупроводнике p-типа) на два-три порядка превышает концентрацию примеси в другой области. Область с высокой концентрацией примеси (низкоомная область) является основным источником носителей подвижных зарядов через p-n-переход и называется эмиттером. Область с низкой концентрацией примеси является высокоомной и называется базой. Поэтому доминирующей составляющей прямого тока, протекающего через p-n-переход и состоящего из электронной и дырочной составляющих, будет та, которая определяется основными носителями зарядов области с более высокой их концентрацией Iпр = Ip + In = I0 (eUпр /jТ - 1). (1.11) При |Uпр| >> jТ переход по существу исчезает и ток ограничивается лишь сопротивлением (единицы и даже десятки ом) базовой области rб. Вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода, построенная на основании выражений (1.10) и (1.11), имеет вид, показанный на рис. 1.8. Область ВАХ, лежащая в первом квадранте, соответствует прямому включению p-n-перехода, а лежащая в третьем квадранте – обратному. Как отмечалось выше, при достаточно большом обратном напряжении возникает пробой перехода. Пробоем называют резкое изменение режима работы перехода, находящегося под обратным напряжением.

Характерной особенностью этого изменения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода r_диф du/di (u и i – напряжение на переходе и ток перехода соответственно). После начала пробоя незначительное увеличение обратного напряжения сопровождается резким увеличением обратного тока. В процессе пробоя ток может увеличиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление оказывается отрицательным). На ВАХ перехода (рис. 1.9) пробою соответствует область резкого изгиба характеристики вниз в третьем квадранте.

Рис. 1.8 Вольтамперная характеристика (а) и схема включения стабилитрона (б)

Различают три вида пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный и тепловой. И туннельный, и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Туннельный пробой происходит, когда геометрическое расстояние между валентной зоной и зоной проводимости (ширина барьера) достаточно мало, то возникает туннельный эффект – явление прохождения электронов сквозь потенциальный барьер. Туннельный пробой имеет место в р-n-переходах с базой, обладающей низким значением удельного сопротивления.

Рис. 1.9 ВАХ p-n-перехода

Механизм лавинного пробоя подобен механизму ударной ионизации в газах. Лавинный пробой возникает, если при движении до очередного соударения с атомом дырка (или электрон) приобретает энергию, достаточную для ионизации атома. В результате число носителей резко возрастает, и ток через переход растёт. Расстояние, которое проходит носитель заряда до соударения, называют длиной свободного пробега. Лавинный пробой имеет место в переходах с высокоомной базой (имеющей большое удельное сопротивление). Характерно, что при этом пробое напряжение на переходе мало зависит от тока через него (крутопадающий участок в третьем квадранте ВАХ, см. рис. 1.9).

При тепловом пробое увеличение тока объясняется разогревом полупроводника в области р-n-перехода и соответствующим увеличением удельной проводимости. Тепловой пробой характеризуется отрицательным дифференциальным сопротивлением. Если полупроводник – кремний, то при увеличении обратного напряжения тепловой пробой обычно возникает после электрического (во время электрического пробоя полупроводник разогревается, а затем начинается тепловой пробой). После электрического пробоя p-n-переход не изменяет своих свойств. После теплового пробоя, если полупроводник успел нагреться достаточно сильно, свойства перехода необратимо изменяются (полупроводниковый прибор выходит из строя).

Как уже отмечалось, вследствие диффузии электронов и дырок через p-n-переход в области перехода возникают нескомпенсированные объемные (пространственные) заряды ионизированных атомов примесей, которые закреплены в узлах кристаллической решетки полупроводника и поэтому не участвуют в процессе протекания электрического тока. Однако объемные заряды создают электрическое поле, которое, в свою очередь, самым существенным образом влияет на движение свободных носителей электричества, т. е. на процесс протекания тока.

Изменение внешнего напряжения, приложенного к p-n-переходу, изменяет величину объемного пространственного заряда обедненного слоя. Следовательно, p-n-переход ведет себя как плоский конденсатор, емкость которого, определяемая отношением изменения пространственного заряда ¶Q к изменению напряжения ¶U при обратном включении перехода, называется барьерной и может быть найдена из уравнения

, (1.12)

где e₀ – диэлектрическая проницаемость вакуума; e – относительная диэлектрическая проницаемость; S – площадь p-n-перехода; d – толщина обедненного слоя (толщина p-n-перехода).

Изменение заряда в p-n-переходе может быть вызвано также изменением концентрации инжектированных неравновесных носителей в базе при прямом смещении p-n-перехода. Отношение величины изменения инжектированного заряда к величине изменения прямого напряжения определяет диффузионную емкость p-n-перехода:
С_диф = дQ_инж/дU. Диффузионная емкость превышает барьерную при прямом смещении p-n-перехода, однако имеет незначительную величину при обратном смещении.