Электронно-дырочный (p-n) переход

Электронно-дырочный (p-n) переход

1) Образование электронно-дырочного перехода

2) Прямое и обратное включение p-n перехода

3) Свойства p-n перехода

1) Образование электронно-дырочного перехода. Ввиду неравномерной концен- трации на границе раздела p и n полупроводника возникает диффузионный ток, за счёт ко- торого электроны из n-области переходят в p-область, а на их месте остаются нескомпенси- рованные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в p- область, рекомбинируют с дырками, и возникают некомпенсированные заряды отрицатель- ных ионов акцепторной примеси. Ширина p-n перехода – десятые доли микрона. На грани- це раздела возникает внутреннее электрическое поле p-n перехода, которое будет тормозя- щим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела.

Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим и будет переносить их в область, где они будут основными. Максимум напряжённости электрического поля – на границе разде- ла.

Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграм- мой. Разность потенциалов на p-n переходе называется контактной разностью потенциалов или потенциальным барьером. Для того, чтобы основной носитель заряда смог преодолеть p-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.

2) Прямое и обратное включение p-n перехода.

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлен-

но навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолеть потенциальный барьер, и поэто- му через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носи- телями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряжённости кото- рого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведёт к увеличению по- тенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодо-

леть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее - яв- ляются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обрат- ным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

3) Свойства p-n перехода. К основным свойствам p-n перехода относятся:

свойство односторонней проводимости;

температурные свойства p-n перехода; частотные свойства p-n перехода; пробой p-n перехода.

Свойство односторонней проводимости p-n перехода нетрудно рассмотреть на вольтамперной

характеристике. Вольтамперной характеристикой (ВАХ) называется графически выраженная зависимость величины протекающего через p-n переход тока от величины приложенного напряжения. I=f(U).

Будем считать прямое напряжение положительным, обратное – отрицательным. Ток через p-n переход может быть определён следующим образом:

e '×U

I = I 0×( e

k×T

-1 ) ,

где I0 – ток, вызванный прохождением собственных носителей заряда;

e – основание натурального логарифма;

e’ – заряд электрона; Т – температура;

U – напряжение, приложенное к p-n переходу;

k – постоянная Больцмана. При прямом включении:

Iпр= I 0× ( e

e '×U

k×T

-1)

e '

k×T

=const =c

I = f (U )

Iпр= I 0× (e ec×U >>1

c×U

-1 )

Iпр= I 0×e

c×U

При увеличении прямого напряжения прямой ток изменяется по экспоненциальному закону. При обратном включении:

-c×U

Iобр= I 0× (e

e-c×U <<1

Iобр=- I 0

-1 )

Так как величина обратного тока во много раз меньше, чем прямого, то обратным током мож- но пренебречь и считать, что p-n переход проводит ток только в одну сторону.

Температурное свойство p-n перехода показывает, как изменяется работа p-n перехода при из- менении температуры. На p-n переход в значительной степени влияет нагрев, в очень малой степени – охлаждение. При увеличении температуры увеличивается термогенерация носи- телей заряда, что приводит к увеличению как прямого, так и обратного тока.

Частотные свойства p-n перехода показывают, как работает p-n переход при подаче на него переменного напряжения высокой частоты. Частотные свойства p-n перехода определяются двумя видами ёмкости перехода.

Первый вид ёмкости – это ёмкость, обусловленная неподвижными зарядами ионов донорной и акцепторной примеси. Она называется зарядной, или барьерной ёмкостью.

ε×ε0×S

C =

d

ε×ε0 ×Sp-n

C = D x

Второй тип ёмкости – это диффузионная ёмкость, обусловленная диффузией подвижных носи- телей заряда через p-n переход при прямом включении.

Cдиф= Q Unp

Q – суммарный заряд, протекающий через p-n переход.

Ri – внутреннее сопротивление p-n перехода.

Ri очень мало при прямом включении [Ri = (n∙1 ÷ n∙10) Ом] и будет велико при обратном

включении [Riобр = (n∙100 кОм ÷ n∙1 МОм)].

x = 1

c ×c

Если на p-n переход подавать переменное напряжение, то ёмкостное сопротивление p-n пере- хода будет уменьшаться с увеличением частоты, и при некоторых больших частотах ём- костное сопротивление может сравняться с внутренним сопротивлением p-n перехода при пря- мом включении. В этом случае при обратном включении через эту ёмкость потечёт достаточно большой обратный ток, и p-n переход потеряет свойство односторонней проводимости.

Вывод: чем меньше величина ёмкости p-n перехода, тем на более высоких частотах он может работать.

На частотные свойства основное влияние оказывает барьерная ёмкость, т. к. диффузионная ёмкость имеет место при прямом включении, когда внутреннее сопротивление p-n перехода мало.

Пробой p-n перехода. Iобр = - Io

При увеличении обратного напряжения энергия электрического поля становится достаточной для генерации носителей заряда. Это приводит к сильному увеличению обратного тока. Явление сильного увеличения обратного тока при определённом обратном напряжении назы- вается электрическим пробоем p-n перехода.

Электрический пробой – это обратимый пробой, т. е. при уменьшении обратного напряжения p-n переход восстанавливает свойство односторонней проводимости. Если обратное напряже- ние не уменьшить, то полупроводник сильно нагреется за счёт теплового действия тока и p-n переход сгорает. Такое явление называется тепловым пробоем p-n перехода. Тепловой пробой необратим.