Р-n-переход и его свойства

Тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник p-типа, а другая n-типа, называют р-n-переходом. Концентрации основных носителей заряда в р- и n-областях могут быть равны или существенно различаться. В первом случае р-п-переход называют симметричным, во втором – несимметричным. Чаще используют несимметричные переходы.

Пусть концентрация акцепторной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области (рис. 1.3, а). Соответственно, концентрация дырок (светлые кружки) в р-области будет больше, чем концентрация электронов (черные кружки) в n-области.

За счет диффузии дырки из p-области и электроны из n-области стремятся равномерно распределиться по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций 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 то же 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, одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая – положительно (n-область).

Рис. 1.3. Р-n-структура:

а – в равновесном состоянии; б – при прямом внешнем напряжении; в – при обратном внешнем напряжении; l – ширина р-n-перехода

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов UK (см. рис. 1.3, а), или потенциальным барьером, преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны р-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, – отрицательным зарядом. Таким образом, образуется р-n-переход, представляющий собой слой полупроводника с пониженным ОГЛАВЛЕНИЕм носителей – так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление.

Свойства р-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов (рис. 1.3, б), то дырки р-области, отталкиваясь от приложенного положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину р-п-перехода со стороны р-области. Аналогично этому, электроны n-области, отталкиваясь от отрицательного потенциала внешнего источника, компенсируют заряд части положительных ионов и сужают ширину р-n-перехода со стороны n-области. Потенциальный барьер сужается, через него начинают проникать дырки из p-области и электроны из n-области и через р-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, или открывающей, а созданный ею ток – прямым. При подаче такого напряжения р-n-переход открыт.

Если к р-n-структуре приложить напряжение обратной полярности (рис. 1.3, в), то эффект будет противоположным. 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 зарядов отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину р-н-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление р-н-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения р-н-переход закрыт.

Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока Iобр. 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. 1.3, в единственным электроном 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 "свободных электрон–дырка" при неизменной температуре остается постоянным, и даже при Uобр в доли вольта все носители участвуют в создании обратного тока.

При подаче обратного напряжения р-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого являются р- 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 р-n-перехода и чем больше его площадь.