P–n переход и его электрические свойства. Электронно-дырочный переход

P-n-переход и его свойства

В p-n-переходе концентрация основных носителей заряда в p- и n-областях могут быть равными или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называется симметричным, во втором - несимметричным. Чаще используются несимметричные переходы.

Пусть концентрация акцептной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области (рис. 1.1,а). Соответственно и концентрация дырок (светлые кружки) в p-области будет больше, чем концентрация электронов (черные кружки) в n-области.

За счет диффузии дырок из p-области и электронов из n-области они стремятся равномерно распределится по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентрации по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из p-области в n-область, рекомбинируют с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В тоже время уход этих дырок из p-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области. Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область, приводящее к тому же эффекту.

В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется узкий, в доли микрона, приграничный слой l , одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая - положительно (n-область).

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов U (рис 1.1,а) или потенциальным барьером , преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны p-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, - отрицательным зарядом. Контактной разностью потенциалов Uсоответствует электрическое поле напряженностью Е . Таким образом, образуется p-n-переход шириной l , представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей - так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление R .

Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение U пр. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов и напряженность внешнего поля Е пр противоположна Е (рис. 1.1,б), то дырки p-области, отталкиваясь от приложенного положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину р-n-перехода со стороны p-области. Аналогично, электроны n-области, отталкиваясь от отрицательного потенциала внешнего источника, компенсируют заряд части положительных ионов и сужают ширину p-n-перехода со стороны n-области. Потенциальный барьер сужается, через него начинают проникать дырки из p-области и электроны из n-области и через p-n-переход начинает течь ток.

С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.

Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток - прямым. При подаче такого напряжения p-n-переход открыт и его сопротивление R пр <

Если к p-n-структуре приложить напряжение обратной полярности U обр (рис. 1.1,в), эффект будет противоположный. Электрическое поле напряженностью Е обр совпадает по направлению с электрическим полем Е р-n-перехода. Под действием электрического поля источника дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны n-области - к положительному потенциалу. Таким образом, основные носители заряда отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину p-n-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление p-n-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения p-n-переход закрыт и его сопротивление R обр >>R .

Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока I обр. Этот ток в отличие от прямого определяется носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар "свободный электрон - дырка" под воздействием температуры. Эти носители обозначены на рис. 1.1,в единственный электрон в p-области и единственной дыркой в n-области. Значение обратного тока практически не зависит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар "электрон - дырка" при неизменной температуре остается постоянным, и даже при U обр в доли вольт все носители участвуют в создании обратного тока.

При подаче обратного напряжения p-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого является p- и n-области, разделенные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет приграничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость p-n-перехода называют барьерной . Она тем больше, чем меньше ширина p-n-перехода и чем больше его площадь.

Принцип работы p-n-перехода характеризуется его вольт-амперной характеристикой. На рис.1.2 показана полная вольт-амперная характеристика открытого и закрытого p-n-переходов.

Как видно, эта характеристика является существенно нелинейной. На участке 1 Е пр < Е и прямой ток мал. На участке 2 Е пр > Е , запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке 3 запирающий слой препятствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Излом вольт-амперной характеристики в начале координат обусловлен различными масштабами тока и напряжения при прямом и обратном направлениях напряжения, приложенного к p-n-переходу. И наконец, на участке 4 при U обр =U проб происходит пробой p-n-перехода и обратный ток быстро возрастает. Это связанно с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда - электронов и дырок, - что приводит к резкому увеличению обратного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называется лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках.

В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергию, достаточной для ударной ионизации. В тоже время может возникать электрический пробой p-n-перехода, когда при достижении критического напряжения электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон - дырка, и существенно возникает обратный ток перехода.

Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому электрическому пробою используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению тока (участок 5 рис. 1.2) и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называется тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает p-n-переход.

Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.

Полупроводники бывают двух типов – n и p . Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n -типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны . В полупроводниковых материалах p -типа эту же роль играют так называемые дырки , которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон , и именно поэтому и образуются положительный заряд.

Для изготовления полупроводниковых материалов n -типа и p -типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ « n », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative » («отрицательный »). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n -типа являются электроны . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ « p », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive » («положительный »). Главными носителями заряда в них являются дырки . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

Возьмем за исходное то, что n -область тесно соединена с p -областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем », где дырки и электроны , подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом .

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p -типа частично следуют в область n -типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p -типа заряжается отрицательно, а n -типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов , и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p -области подключается положительный полюс источника тока, а к n -области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода . Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода .

Прямое включение

Когда осуществляется прямое включение p-n перехода , то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.

Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками , а в обратном направлении – электронами .

Обратное включение

Когда осуществляется обратное включение p-n перехода , то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p , а электроны – из области p в область n . Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов , а в области n, соответственно, – дырок .

p-n (пэ-эн) переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому, такой переход ещё называют электронно — дырочным переходом.

Всего есть два типа полупроводников это p и n типа. В n — типе основными носителями заряда являются электроны , а в p — типе основными — положительно заряженные дырки. Положительная дырка возникает после отрыва электрона от атома и на месте него образуется положительная дырка.

Что бы разобраться как работает p-n переход надо изучить его составляющие то есть полупроводник p — типа и n — типа.

Полупроводники p и n типа изго­тавливаются на основе монокристаллического кремния, имеющего очень высокую степень чистоты, поэтому малейшие примеси (менее 0,001%) су­щественным образом изменяют его электрофизические свойства.

В полупроводнике n типа основными носителями заряда являются электроны . Для получения их используютдонорные примеси, которые вводятся в кремний, — фосфор, сурьма, мышьяк.

В полупроводнике p типа основными носителями заряда являются положительно заряженные дырки . Для получения их используют акцепторные примеси — алюминий, бор.

Полупроводник n — типа (электронной проводимости)

Примесный атом фосфора обычно замещает основной атом в узлах кри­сталлической решетки. При этом четыре валентных электрона атома фосфора вступают в связь с четырьмя валентными электронами соседних четырех атомов кремния, образуя устойчивую оболочку из восьми электронов. Пятый валентный электрон атома фосфора оказывается слабо связанным со своим атомом и под действием внешних сил (тепловые колебания решетки, внешнее электрическое поле) легко становится свободным, создавая повышенную концентрацию свободных электронов . Кристалл приобретает электронную проводимость или проводимость n-типа . При этом атом фосфора, лишенный электрона, жестко связан с кристаллической решеткой кремния положи­тельным зарядом, а электрон является подвижным отрицательным зарядом. При отсутствии действия внешних сил они компенсируют друг друга, т. е. в кремнии n-типа количество свободных электронов проводимости опреде­ляется количеством введенных донорных атомов примеси.

Полупроводник p — типа (дырочной проводимости)

Атом алюминия, имеющий только три валентных электрона, не может самостоятельно создать устойчивую восьмиэлектронную оболочку с соседними атомами кремния, так как для этого ему необходим еще один электрон, который он отбирает у одного из атомов кремния, находящегося поблизости. Атом кремния, лишенный электрона, имеет положительный заряд и, так как он может захватить электрон соседнего атома кремния, его можно считать подвижным положительным зарядом, не связанным с кристаллической решеткой, называемым дыркой. Атом алюминия, захвативший электрон, становится отрицательно заряженным центром, жестко связанным с кристал­лической решеткой. Электропроводность такого полупроводника обусловлена движением дырок , поэтому он называется дырочным полупроводни­ком р-типа . Концентрация дырок соответствует количеству введенных атомов акцепторной примеси.

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.

Если блок полупроводника P-типа соединить с блоком полупроводника N-типа (рисунок ниже (a)), результат не будет иметь никакого значения. У нас будут два проводящих блока соприкасающихся друг с другом, не проявляя никаких уникальных свойств. Проблема заключается в двух отдельных и различных кристаллических структурах. Количество электронов уравновешивается количеством протонов в обоих блоках. Таким образом, в результате ни один блок не имеет какого-либо заряда.

Тем не менее, один полупроводниковый кристалл, изготовленный из материала P-типа с одной стороны и материала N-типа с другой стороны (рисунок ниже (b)), обладает уникальными свойствами. У материала P-типа основными являются положительные носители заряда, дырки, которые свободно передвигаются по кристаллической решетке. У материала N-типа основными и подвижными являются отрицательные носители заряда, электроны. Вблизи перехода электроны материала N-типа диффундируют через переход, соединяясь с дырками в материале P-типа. Область материала P-типа вблизи перехода приобретает отрицательный заряд из-за привлеченных электронов. Так как электроны покинули область N-типа, та приобретает локальный положительный заряд. Тонкий слой кристаллической решетки между этими зарядами теперь обеднен основными носителями, таким образом, он известен, как обедненная область . Эта область становится непроводящим материалом из собственного полупроводника. По сути, мы имеем почти изолятор, разделяющий проводящие легированные области P и N типов.

(a) Блоки полупроводников P и N типов при контакте не обладают пригодными для использования свойствами.
(b) Монокристалл, легированный примесями P и N типа, создает потенциальный барьер.

Такое разделение зарядов в P-N-переходе представляет собой потенциальный барьер. Этот потенциальный барьер может быть преодолен под воздействием внешнего источника напряжения, заставляющего переход проводить электрический ток. Формирование перехода и потенциального барьера происходит во время производственного процесса. Величина потенциального барьера зависит от материалов, используемых при производстве. Кремниевые P-N-переходы обладают более высоким потенциальным барьером, по сравнению с германиевыми переходами.

На рисунке ниже (a) батарея подключена так, что отрицательный вывод источника поставляет электроны к материалу N-типа. Эти электроны диффундируют к переходу. Положительный вывод источника удаляет электроны из полупроводника P-типа, создавая дырки, которые диффундируют к переходу. Если напряжение батареи достаточно велико для преодоления потенциала перехода (0,6В для кремния), электроны из области N-типа и дырки из области P-типа объединяются, уничтожая друг друга. Это освобождает пространство внутри решетки для перемещения в сторону перехода большего числа носителей заряда. Таким образом, токи основных зарядов областей N-типа и P-типа протекают в сторону перехода. Рекомбинация в переходе позволяет току батареи протекать через P-N переход диода. Такое включение называется прямым смещением .

Если полярность батареи изменена на противоположную, как показано выше на рисунке (b), основные носители зарядов притягиваются от перехода к клеммам батареи. Положительный вывод батареи оттягивает от перехода основных носителей заряда в области N-типа, электронов. Отрицательный вывод оттягивает от перехода основных носителей в области P-типа, дырок. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области. В ней отсутствует рекомбинация основных носителей; и таким образом, отсутствует и проводимость. Такое подключение батареи называется обратным смещением .

Условное обозначение диода, показанное ниже на рисунке (b), соответствует пластине легированного полупроводника на рисунке (a). Диод представляет собой однонаправленное устройство. Электронный ток протекает только в одном направлении, против стрелки, соответствующем прямому смещению. Катод, полоса на условном обозначении диода, соответствует полупроводнику N-типа. Анод, стрелка, соответствует полупроводнику P-типа.

Примечание: в оригинале статьи предлагается алгоритм запоминания расположения типов полупроводника в диоде. Неуказывающая (N ot-pointing) часть условного обозначения (полоса) соответствует полупроводнику N -типа. Указывающая (P ointing) часть условного обозначения (стрелка) соответствует P -типу.

Если к диоду приложено прямое смещение (как показано на рисунке (a) выше), при увеличении напряжения от 0 В ток будет медленно возрастать. В случае с кремниевым диодом протекающий ток можно будет измерить, когда напряжение приблизится к 0,6 В (рисунок (c) выше). При увеличении напряжения выше 0,6 В ток после изгиба на графике начнет резко возрастать. Увеличение напряжения выше 0,7 В может привести к току, достаточно большому, чтобы вывести диод из строя. Прямое напряжение U пр является одной из характеристик полупроводников: 0,6-0,7 В для кремния, 0,2 В для германия, несколько вольт для светоизлучающих диодов. Прямой ток может находиться в диапазоне от нескольких мА для точечных диодов до 100 мА для слаботочных диодов и до десятков и тысяч ампер для силовых диодов.

Если диод смещен в обратном направлении, то протекает только ток утечки собственного полупроводника. Это изображено на графике слева от начала координат (рисунок (c) выше). Для кремниевых диодов этот ток в самых экстремальных условиях будет составлять примерно 1 мкА. Это ток при росте напряжения обратного смещения увеличивается незаметно, пока диод не будет пробит. При пробое ток увеличивается настолько сильно, что диод выходит из строя, если последовательно не включено сопротивление, ограничивающее этот ток. Обычно мы выбираем диод с обратным напряжением, превышающим напряжения, которые могут быть приложены при работе схемы, чтобы предотвратить пробой диода. Как правило, кремниевые диоды доступны с напряжениями пробоя 50, 100, 200, 400, 800 вольт и выше. Также возможно производство диодов с меньшим напряжением пробоя (несколько вольт) для использования в качестве эталонов напряжения.

Ранее мы упоминали, что обратный ток утечки до микроампера в кремниевых диодах обусловлен проводимостью собственного полупроводника. Эта утечка может быть объяснена теорией. Тепловая энергия создает несколько пар электрон-дырка, которые проводят ток утечки до рекомбинации. В реальной практике этот предсказуемый ток является лишь частью тока утечки. Большая часть тока утечки обусловлена поверхностной проводимостью, связанной с отсутствием чистоты поверхности полупроводника. Обе составляющие тока утечки увеличиваются с ростом температуры, приближаясь к микроамперу для небольших кремниевых диодов.

Для германия ток утечки на несколько порядков выше. Так как германиевые полупроводники сегодня редко используются на практике, то это не является большой проблемой.

Подведем итоги

P-N переходы изготавливаются из монокристаллического куска полупроводника с областями P и N типа в непосредственной близости от перехода.

Перенос электронов через переход со стороны N-типа к дыркам на сторону P-типа с последующим взаимным уничтожением создает падение напряжения на переходе, составляющее от 0,6 до 0,7 вольта для кремния и зависящее от полупроводника.

Прямое смещение P-N перехода при превышении значения прямого напряжения приводит к протеканию тока через переход. Прикладываемая внешняя разность потенциалов заставляет основных носителей заряда двигаться в сторону перехода, где происходит рекомбинация, позволяющая протекать электрическому току.

Обратное смещение P-N перехода почти не создает ток. Прикладываемое обратное смещение оттягивает основных носителей заряда от перехода. Это увеличивает толщину непроводящей обедненной области.

Через P-N переход, к которому приложено обратное смещение, протекает обратный ток утечки, зависящий от температуры. В небольших кремниевых диодах он не превышает микроампер.