Общие сведения. Электронно-дырочным (p-n) называют такой переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной и дырочной. Электронно-дырочный переход нельзя создать простым соприкосновением полупроводниковых пластин n- и p-типа, так как в месте соединения невозможно обеспечить общую кристаллическую решетку без дефектов. На практике широко используется метод получения p-n перехода путем введения в примесный полупроводник примеси с противоположным типом проводимости, например с помощью диффузии, или эпитаксии.

Электронно-дырочные переходы используются в большинстве полупроводниковых приборов (в диодах и полевых транзисторах используются по одному p-n переходу, в биполярных транзисторах - два p-n перехода, в тиристорах - три p-n перехода). Поэтому очень важным является понимание физических явлений и электрических свойств p-n перехода.

Формирование p-n-перехода. Предположим, что p-n переход образован электрическим контактом полупроводников n- и p-типа с одинаковой концентрацией донорных и акцепторных примесей (рис. 1.5, a). На границе областей возникают градиенты концентраций электронов и дырок. Вследствие того, что концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области, возникает диффузионный ток электронов из p-области в n-область. А из-за того, что концентрация дырок в p-области выше, чем в n-области, возникает диффузионный ток дырок из p-области в n-область. В результате диффузии основных носителей заряда в граничном слое происходит рекомбинация. Приграничная p-область приобретает нескомпенсированный отрицательный заряд, обусловленный отрицательными ионами. Приграничная n-область приобретает нескомпенсированный положительный заряд, обусловленный положительными ионами.

На рис. 1.5, б показано распределение концентраций дырок p(x) и электронов n(x) в полупроводнике. В граничном слое образуется электрическое поле, направленное от n-области к p-области, как показано на рис. 1.5, а.

Рисунок 1.5. Рисунок 1.6.

Это поле является тормозящим для основных носителей заряда. Теперь любой электрон, проходящий из n-области в p-область, попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить его обратно в электронную область. Аналогично любая дырка, проходящая из p-области в n-область, также попадает в электрическое поле, стремящееся возвратить ее обратно в дырочную область.

Внутреннее поле является ускоряющим для неосновных носителей. Если электроны p-области вследствие, например, хаотического теплового движения попадут в зону p-n перехода, то внутреннее поле обеспечит их быстрый переход через приграничную область. Аналогично будут преодолевать p-n переход дырки n-области. Для них внутреннее поле также является ускоряющим.

Таким образом, внутреннее электрическое поле p-n перехода создает дрейфовый ток неосновных носителей заряда. Этот ток направлен встречно диффузионному току основных носителей заряда.

Если к полупроводнику не прикладывается внешнее напряжение, то результирующий ток через p-n переход отсутствует:

.

Это равенство устанавливается при определенной контактной разности потенциалов U_K (рис. 1. 5, в). Эта разность потенциалов препятствует перемещению основных носителей заряда, т. е. создает потенциальный барьер. Для того чтобы преодолеть потенциальный барьер электрон должен обладать энергией W = q_eU_K. С увеличением потенциального барьера диффузионный ток должен убывать. Толщина слоя h, в котором действует внутреннее электрическое поле, мала и определяет толщину p-n перехода (обычно h < 10^-6 м). Однако сопротивление этого слоя велико, поскольку он обеднен основными носителями заряда. Поэтому его часто называют запирающим. При одинаковых концентрациях носителей зарядов в p- и n-областях полупроводника толщина p-n перехода образуется из двух равных частей h_p и h_n (см. рис. 1.5, а).

В общем случае справедливо соотношение

N_аh_p = N_дh_n. (1.6.)

Контактная разность потенциалов и толщина р-n-перехода зависят от концентрации доноров и акцепторов:

; (1.7)

, (1.8.)

где с - диэлектрическая проницаемость.

Очевидно, что увеличение концентрации доноров и акцепторов приводит к увеличению контактной разности потенциалов и уменьшению толщины p-n перехода.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода. Вольт-амперной характеристикой p-n перехода называется зависимость тока, протекающего через p-n переход, от величины и полярности приложенного напряжения. Аналитическое выражение ВАХ p-n перехода имеет вид:

, (1.9)

где I_обр — обратный ток насыщения p-n перехода; U - напряжение, приложенное к p-n переходу.

Характеристика, построенная с использованием этого выражения, имеет два характерных участка (рис. 1.6): 1— соответствующий прямому управляющему напряжению U_np, 2 — соответствующий обратному напряжению U_обр.

При больших обратных напряжениях наблюдается пробой p-n перехода, при котором обратный ток резко увеличивается. Различают два вида пробоя: электрический (обратимый) и тепловой (необратимый).

Прямое включение p-n-перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_пр в противофазе с контактной разностью потенциалов, называется прямым. Прямое включение p-n перехода показано на рис. 1.7, а. Практически все внешнее напряжение прикладывается к запирающему слою, поскольку его сопротивление значительно больше сопротивления остальной части полупроводника. Как видно из потенциальной диаграммы (рис. 1.7, б), высота потенциального барьера уменьшается: U_б = U_к - U_пp. Ширина p-n перехода также уменьшается (h' < h). Дрейфовый ток уменьшается, диффузионный ток резко возрастает. Динамическое равновесие нарушается и через p-n переход протекает прямой ток:

. (1.10.)

Как видно из формулы (16.10), при увеличении прямого напряжения ток может возрасти до больших значений, так как он обусловлен движением основных носителей, концентрация которых в обеих областях полупроводника велика.

При прямом включении дрейфовая составляющая тока пренебрежимо мала по сравнению с диффузионной. Это объясняется низкой концентрацией неосновных носителей заряда и уменьшением результирующей напряженности электрического поля, обусловливающих дрейфовый ток.

Процесс введения основных носителей заряда через p-n переход с пониженной высотой потенциального барьера в область полупроводника, где эти носители заряда являются неосновными, называется инжекцией. Инжектированные носители диффундируют вглубь полупроводника, рекомбинируя с основными носителями этой области. Дырки, проникшие из p-области в n-область, рекомбинируют с электронами, поэтому диффузионный дырочный ток I_р постепенно спадает в n-области до нуля.

Поступающие от внешнего источника в n-область электроны продвигаются к p-n переходу, создавая электронный ток I_n. По мере приближения к переходу, вследствие рекомбинации электронов с дырками, этот ток спадает до нуля. Суммарный же ток в n-области I_диф = I_p + I_n во всех точках полупроводника n-типа остается неизменным. Одновременно с инжекцией дырок в n-область происходит инжекция электронов в p-область. Протекающие при этом процессы аналогичны описанным выше.

Обратное включение p-n-перехода. Включение, при котором к p-n переходу прикладывается внешнее напряжение U_обр в фазе с контактной разностью потенциалов, называется обратным. Этот случай иллюстрирует рис. 1.8, а.

Рисунок 1.7. Рисунок 1.8.

Под действием электрического поля, создаваемого внешним источником U_обр, основные носители оттягиваются от приконтактных слоев вглубь полупроводника. Как видно из рис. 1.8, б, это приводит к расширению p-n перехода (h' > h). Потенциальный барьер возрастает и становится равным U_б = U_к + U_обр. Число основных носителей, способных преодолеть действие результирующего поля, уменьшается. Это приводит к уменьшению диффузионного тока, который может быть определен по формуле

. (1.11)

Для неосновных носителей (дырок в n-области и электронов в p-области) потенциальный барьер в электронно-дырочном переходе отсутствует. Неосновные носители втягиваются полем в переход и быстро преодолевают его. Это явление называется экстракцией.

При обратном включении преобладающую роль играет дрейфовый ток. Он имеет небольшую величину, так как создается движением неосновных носителей. Этот ток называется обратным и может быть определен по формуле I_обр = I_др — I_диф. Величина обратного тока практически не зависит от напряжения U_обр. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар «электрон — дырка» при неизменной температуре остается неизменным. Поскольку концентрация неосновных носителей значительно меньше концентрации основных носителей заряда, обратный ток p-n перехода существенно меньше прямого (обычно на несколько порядков). Это определяет выпрямительные свойства p-n перехода: способность пропускать ток только в одном направлении.

Для получения хороших выпрямительных свойств желательно уменьшить обратный ток, что достигается очисткой исходного полупроводникового материала с целью снижения концентрации неосновных носителей заряда. Высокая степень чистоты полупроводниковых материалов обеспечивается специальной дорогостоящей технологией.

Электрический пробой происходит в результате внутренней электростатической эмиссии и под действием ударной ионизации атомов. Внутренняя электростатическая эмиссия в полупроводниках аналогична электростатической эмиссии электронов из металла. Под действием сильного электрического поля часть электронов освобождается из ковалентных связей и получает энергию, достаточную для преодоления высокого потенциального барьера p-n перехода. Двигаясь с большой скоростью, электроны сталкиваются с нейтральными атомами и ионизируют их. В результате ударной ионизации появляются новые свободные электроны и дырки. Они, в свою очередь, разгоняются полем и создают дополнительные носители тока. Описанный процесс носит лавинообразный характер и приводит к значительному увеличению обратного тока через p-n переход. Электрическому пробою соответствует участок 3 на рис. 1.6. Если чрезмерно увеличивать обратное напряжение (до значений, превышающих максимально допустимое напряжение U_{o6p max}, указанное на рис. 1.6), то произойдет тепловой пробой p-n перехода, и он потеряет свойство односторонней проводимости. Обратная ветвь характеристики при тепловом пробое имеет вид участка 4.

Тепловой пробой p-n перехода происходит вследствие вырывания валентных электронов из связей в атомах при тепловых колебаниях кристаллической решетки. Тепловая генерация пар «электрон — дырка» приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и росту обратного тока. Увеличение тока сопровождается дальнейшим повышением температуры. Процесс нарастает лавинообразно, происходит изменение структуры кристалла, и переход необратимо выходит из строя. Если же при возникновении пробоя ток через p-n переход ограничен сопротивлением внешней цепи и мощность, выделяемая на переходе, невелика, то пробой обратим.

Анализ ВАХ p-n перехода позволяет рассматривать его как нелинейный элемент, сопротивление которого R_д изменяется в зависимости от величины и полярности приложенного напряжения. Нелинейные свойства p-n перехода лежат в основе работы полупроводниковых диодов, транзисторов и других приборов.

Рисунок 1.9 Рисунок 1.10

На рис. 1.9 приведена модель реального p-n перехода. Здесь помимо управляемого сопротивления R_д показаны неуправляемые сопротивления контактов R и емкости p-n перехода: барьерная С_б и диффузионная С_диф. Наличие у реальных p-n переходов сопротивлений контактов R сказывается на виде ВАХ в области прямых управляющих напряжений: характеристика располагается ниже по сравнению с идеализированным p-n переходом (область 5 на рис. 1.6).

Потенциальный барьер образован неподвижными зарядами: положительными и отрицательными ионами. Емкость, обусловленная этими зарядами, называется барьерной. При изменении запирающего напряжения меняется толщина p-n перехода, а следовательно, и его емкость. Величина барьерной емкости пропорциональна площади p-n перехода, концентрации носителей заряда и диэлектрической проницаемости материала полупроводника. При малом обратном напряжении толщина p-n перехода мала, носители зарядов противоположных знаков находятся на небольшом расстоянии друг от друга. При этом собственная емкость p-n перехода велика. В случае увеличения обратного напряжения толщина p-n перехода растет и емкость p-n перехода уменьшается. Таким образом, p-n переход можно использовать как емкость, управляемую обратным напряжением: С_б = q_б/U_обр, где q_б — объемный заряд равновесных носителей.

При прямом напряжении p-n переход, кроме барьерной емкости, обладает диффузионной емкостью С_диф. Эта емкость обусловлена накоплением подвижных носителей заряда в n- и p-областях. При прямом напряжении основные носители заряда в большом количестве диффундируют через пониженный потенциальный барьер и, не успев рекомбинировать, накапливаются в n- и p-областях.

Каждому значению прямого напряжения соответствует определенный накопленный неравновесный заряд q_диф:

.

Диффузионная емкость не оказывает существенного влияния на работу p-n перехода, так как она всегда зашунгирована малым прямым сопротивлением R_д. Зависимости емкостей p-n перехода от управляющего напряжения имеют вид, изображенный на рис. 1.10.