p-n -перехо́д (n - negative - отрицательный, электронный, p - positive - положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход - разновидность гомопереходов , Зоной p-n перехода называется область полупроводника , в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p .
Электронно-дырочный переход может быть создан различными путями:
- в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (n -область), а в другой - акцепторной (p -область);
- на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости.
Если p-n -переход получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник, то переход от n - к р -области происходит скачком (резкий переход). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный переход.
Энергетическая диаграмма p-n -перехода. a) Состояние равновесия b) При приложенном прямом напряжении c) При приложенном обратном напряжении
При контакте двух областей n - и p - типа из-за градиента концентрации носителей заряда возникает диффузия последних в области с противоположным типом электропроводности. В p -области вблизи контакта после диффузии из неё дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n -области - нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноимённо заряженных слоёв. Между нескомпенсированными разноимёнными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле , направленное от n -области к p -области и называемое диффузионным электрическим полем. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт - устанавливается равновесное состояние (при этом есть небольшой ток основных носителей из-за диффузии, и ток неосновных носителей под действием контактного поля, эти токи компенсируют друг друга). Между n - и p -областями при этом существует разность потенциалов , называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p -области. Обычно контактная разность потенциалов в данном случае составляет десятые доли вольта.
Внешнее электрическое поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положительный потенциал приложен к p -области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение), а ОПЗ сужается. В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали p - n -переход, они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в p - и n -областях через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, который с ростом напряжения экспоненциально возрастает.
Приложение отрицательного потенциала к p -области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n -переход и проходят через него в соседнюю область (экстракция неосновных носителей). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n -переход течёт ток I s (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от напряжения. Таким образом, вольт-амперная характеристика p-n-перехода обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака U значение тока через переход может изменяться в 10 5 - 10 6 раз. Благодаря этому p-n -переход может использоваться для выпрямления переменных токов (диод).
Вольт-амперная характеристика
Чтобы вывести зависимость величины тока через p-n -переход от внешнего смещающего напряжения V , мы должны рассмотреть отдельно электронные и дырочные токи . В дальнейшем будем обозначать символом J плотность потока частиц, а символом j - плотность электрического тока ; тогда j e = −eJ e , j h = eJ h .
Вольт-амперная характеристика p-n -перехода. I s - ток насыщения, U пр - напряжение пробоя.
При V = 0 как J e , так и J h обращаются в нуль. Это означает, конечно, не отсутствие движения отдельных носителей через переход, а только то, что в обоих направлениях движутся равные количества электронов (или дырок). При V ≠ 0 баланс нарушается. Рассмотрим, например, дырочный ток через обеднённый слой. Он включает следующие две компоненты:
- Ток генерации n -области в p -область перехода. Как видно из названия, этот ток обусловлен дырками, генерируемыми непосредственно в n -области обеднённого слоя при тепловом возбуждении электронов с уровней валентной зоны. Хотя концентрация таких дырок (неосновных носителей) в n -области чрезвычайно мала по сравнению с концентрацией электронов (основных носителей), они играют важную роль в переносе тока через переход. Это происходит потому, что каждая дырка, попадающая в обеднённый слой, тут же перебрасывается в p -область под действием сильного электрического поля, которое имеется внутри слоя. В результате величина возникающего тока генерации не зависит от значения изменения потенциала в обеднённом слое, поскольку любая дырка, оказавшаяся в слое, перебрасывается из n -области в p -область.
- Ток рекомбинации , то есть дырочный ток, текущий из p -области в n -область. Электрическое поле в обеднённом слое препятствует этому току, и только те дырки, которые попадают на границу обеднённого слоя, имея достаточную кинетическую энергию , чтобы преодолеть потенциальный барьер, вносят вклад в ток рекомбинации. Число таких дырок пропорционально e −eΔФ/kT и, следовательно,
В отличие от тока генерации, ток рекомбинации чрезвычайно чувствителен к величине приложенного напряжения V . Мы можем сравнить величины этих двух токов, заметив, что при V = 0 суммарный ток через переход отсутствует: J h rec (V = 0) = J h gen Из этого следует, что J h rec = J h gen e eV/kT . Полный дырочный ток, текущий из p -области в n -область, представляет собой разность между токами рекомбинации и генерации:
J h = J h rec − J h gen = J h gen (e eV/kT − 1).
Аналогичное рассмотрение применимо к компонентам электронного тока с тем только изменением, что токи генерации и рекомбинации электронов направлены противоположно соответствующим дырочным токам. Поскольку электроны имеют противоположный заряд, электрические токи генерации и рекомбинации электронов совпадают по направлению с электрическими токами генерации и рекомбинации дырок. Поэтому полная плотность электрического тока есть j = e (J h gen + J e gen )(e eV/kT − 1).
Ёмкость p-n -перехода и частотные характеристики
p-n -переход можно рассматривать как плоский конденсатор , обкладками которого служат области n - и p -типа вне перехода, а изолятором является область объемного заряда, обеднённая носителями заряда и имеющая большое сопротивление. Такая ёмкость называется барьерной . Она зависит от внешнего приложенного напряжения, поскольку внешнее напряжение меняет пространственный заряд. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n - и p -областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрической ёмкости перехода. В зависимости от площади перехода, концентрации легирующей примеси и обратного напряжения барьерная емкость может принимать значения от единиц до сотен пикофарад . Барьерная ёмкость проявляется при обратном напряжении; при прямом напряжении она шунтируется малым сопротивлением p-n -перехода. За счёт барьерной ёмкости работают варикапы .
Кроме барьерной ёмкости p-n -переход обладает так называемой диффузионной ёмкостью . Диффузионная ёмкость связана с процессами накопления и рассасывания неравновесного заряда в базе и характеризует инерционность движения неравновесных зарядов в области базы. Диффузионная ёмкость обусловлена тем, что увеличение напряжения на p-n -переходе приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Величина диффузионной ёмкости пропорциональна току через p-n -переход. При подаче прямого смещения значение диффузионной ёмкости может достигать десятков тысяч пикофарад.
Эквивалентная схема p-n -перехода. C б - барьерная ёмкость, C д - диффузионная ёмкость, R a - дифференциальное сопротивление p-n -перехода, r - объёмное сопротивление базы.
Суммарная ёмкость p-n -перехода определяется суммой барьерной и диффузионной ёмкостей. Эквивалентная схема p-n -перехода на переменном токе представлена на рисунке. На эквивалентной схеме параллельно дифференциальному сопротивлению p-n -перехода R а включены диффузионная ёмкость C д и барьерная ёмкость С б; последовательно с ними включено объёмное сопротивление базы r . С ростом частоты переменного напряжения, поданного на p-n -переход, емкостные свойства проявляются все сильнее, R а шунтируется ёмкостным сопротивлением, и общее сопротивление p-n -перехода определяется объёмным сопротивлением базы. Таким образом, на высоких частотах p-n -переход теряет свои линейные свойства.
Пробой p-n -перехода
Пробой диода - это явление резкого увеличения обратного тока через диод при достижении обратным напряжением некоторого критического для данного диода значения. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают лавинный, туннельный, поверхностный и тепловой пробои.
- Лавинный пробой (ударная ионизация) является наиболее важным механизмом пробоя p-n -перехода. Напряжение лавинного пробоя определяет верхний предел обратного напряжения большинства диодов. Пробой связан с образованием лавины носителей заряда под действием сильного электрического поля, при котором носители приобретают энергии, достаточные для образования новых электронно-дырочных пар в результате ударной ионизации атомов полупроводника.
- Туннельным пробоем электронно-дырочного перехода называют электрический пробой перехода, вызванный квантовомеханическим туннелированием носителей заряда сквозь запрещённую зону полупроводника без изменения их энергии. Туннелирование электронов возможно при условии, если ширина потенциального барьера, который необходимо преодолеть электронам, достаточно мала. При одной и той же ширине запрещённой зоны (для одного и того же материала) ширина потенциального барьера определяется напряжённостью электрического поля, то есть наклоном энергетических уровней и зон. Следовательно, условия для туннелирования возникают только при определённой напряжённости электрического поля или при определённом напряжении на электронно-дырочном переходе - при пробивном напряжении. Значение этой критической напряжённости электрического поля составляет примерно 8∙10 5 В/см для кремниевых переходов и 3∙10 5 В/см - для германиевых. Так как вероятность туннелирования очень сильно зависит от напряжённости электрического поля, то внешне туннельный эффект проявляется как пробой диода.
- Поверхностный пробой (ток утечки) . Реальные p-n -переходы имеют участки, выходящие на поверхность полупроводника. Вследствие возможного загрязнения и наличия поверхостных зарядов между p- и n- областями могут образовываться проводящие плёнки и проводящие каналы, по которым идёт ток утечки I ут. Этот ток увеличивается с ростом обратного напряжения и может превысить тепловой ток I 0 и ток генерации I ген. Ток I ут слабо зависит от температуры. Для уменьшения I ут применяют защитные плёночные покрытия.
- Тепловой пробой - это пробой, развитие которого обусловлено выделением в выпрямляющем электрическом переходе тепла вследствие прохождения тока через переход. При подаче обратного напряжения практически всё оно падает на p-n -переходе, через который идёт, хотя и небольшой, обратный ток. Выделяющаяся мощность вызывает разогрев p-n -перехода и прилегающих к нему областей полупроводника. При недостаточном теплоотводе эта мощность вызывает дальнейшее увеличение тока, что приводит к пробою. Тепловой пробой, в отличие от предыдущих, необратим.
Применение
- Стабилитроны (диод Зенера (Зинера))
- Светодиоды (диоды Генри Раунда)
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "P - n-переход" в других словарях:
Переход процесс перемещения из одного положения либо состояния к другому; а также место, пригодное или предназначенное для такого перемещения: Содержание 1 В строительстве 2 Перемещение 3 В физике … Википедия
Один из осн. законов материалистич. диалектики, согласно которому изменение качества объекта происходит тогда, когда накопление количеств. изменений достигает определ. предела. Этот закон вскрывает наиболее общий механизм развития.… … Философская энциклопедия
Перехода, м. 1. только ед. Действие по глаг. перейти–переходить (1). Переход из Москвы в Коломну длился несколько часов. Переход полководца Суворова через Альпы. Переход через реку. Переход к очередным делам. Переход на хозрасчет. Переход на… … Толковый словарь Ушакова
Переход на "зимнее" время - на территории РФ осуществляется в последнее воскресенье октября в 3:00 по местному времени путем перевода стрелки часов на один час назад. Впервые перевод стрелок часов на час вперед летом и на час назад зимой в целях экономии энергетических… … Энциклопедия ньюсмейкеров
Переход на "зимнее" и "летнее" время - Россия спустя 30 лет после введения перехода на зимнее / летнее время отказывается от этой практики с осени 2011 года россияне не будут переводить стрелки часов на час назад, сообщил во вторник президент РФ Дмитрий Медведев. Переход на зимнее… … Энциклопедия ньюсмейкеров
Переход на "зимнее" время: экономическое "за" и медицинское "против" - 28 октября в 3 часа (по местному времени) в России произойдет переход на зимнее время. Перевод стрелок часов на час вперед летом и на час назад зимой в целях экономии энергетических ресурсов впервые был проведен в Великобритании в 1908 году. Идея … Энциклопедия ньюсмейкеров
Переход на "зимнее"/"летнее" время - Впервые перевод стрелок часов на час вперед летом и на час назад зимой в целях экономии энергетических ресурсов был проведен в Великобритании в 1908 году. Сама же идея экономии энергетических ресурсов путем перевода стрелок принадлежит… … Энциклопедия ньюсмейкеров
Фазовыйпереход, сопровождающийся изменением величины и характера электропроводностипри изменении темп ры Т, давления р, магн. поля Н илисостава вещества. П. м. д. наблюдаются в ряде твёрдых тел, иногда в жидкостяхи газах (плотных парах металлов) … Физическая энциклопедия
- (правило «руки», закон Педерсена) фонетическое изменение, произошедшее в раннем праславянском языке. Содержание 1 Описание явления 1.1 … Википедия
Переход армии Александра Суворова через швейцарские Альпы - Швейцарский поход армии Александра Васильевича Суворова - переход русских войск под командованием генерал фельдмаршала Суворова из Северной Италии через Альпы в Швейцарию, длился с 10 по 27 сентября 1799 года. Был совершен во время войны 2… … Энциклопедия ньюсмейкеров
ПЕРЕХОД - (1) в программировании команда исполнителю продолжать исполнение алгоритма (программы) с указанного этой командой листа. Различают: а) П. безусловный операция, передающая управление по заранее определённому адресу, который указывается в самой… … Большая политехническая энциклопедия
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 (p –n -переход) – это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Области разделены плоскостью, где изменяется тип преобладающих примесей и называемой металлургической границей. Вблизи металлургической границы существует обедненный подвижными носителями заряда слой, где присутствуют неподвижные ионизированные атомы примеси (рис. 3.1).
Рис. 3.1 . Электронно-дырочный переход
Неподвижные ионы в обедненном слое создают объемные электрические заряды положительной и отрицательной полярности. Тем самым создается диффузионное электрическое поле напряженностью Е
диф и контактная разность потенциалов к. Величина контактной
разности потенциалов зависит от концентрации акцепторной примеси
N A
, N D
и температуры:
.
Толщина обедненного слоя также зависит от концентрации примесей:
,
где А – коэффициент, определяемый материалом полупроводника.
3.2. Ток через p–n- переход
Через p–n -переход течет ток, представляющий сумму диффузионной и дрейфовой составляющих. Диффузионный ток образуется основными носителями заряда, для движения которых диффузионное поле является тормозящим. Увеличение диффузионного тока увеличивает напряженность поля Е диф, контактную разность потенциалов и потенциальный барьер . Это приводит к уменьшению тока. Таким образом устанавливается равновесие.
Дрейфовый ток образуется неосновными носителями заряда, для которых диффузионное поле является ускоряющим.
В равновесном состоянии сумма диффузионного и дрейфового токов равна нулю:
I диф + I др = 0.
3.3. Прямое включение p –n -перехода
Прямым называется такое включение, при котором создаваемое внешним напряжением поле направлено против диффузионного поля (рис. 3.2).
Рис. 3.2 . Прямое включение p–n -перехода
В результате контактная разность потенциалов уменьшается, потенциальный барьер снижается, ток основных носителей заряда через переход увеличивается.
3.4. Обратное включение p – n -перехода
Обратное включение p – n -перехода характеризуется тем, что напряженность поля, создаваемого внешним напряжением, совпадает по направлению с напряженностью диффузионного поля (рис. 3.3).
Рис. 3.3 . Обратное включение p –n -перехода
В результате контактная разность потенциалов увеличивается, потенциальный барьер повышается, ток основных носителей заряда через переход уменьшается.
3.5. (ВАХ)
идеализированного p–n-
перехода
Вольт-амперная характеристика p –n -перехода – это зависимость тока через переход от приложенного к нему напряжения.
Идеализация p–n
-перехода заключается в принятии следующих
допущений.
1. Прилегающие к переходу области p и n характеризуются нулевым удельным сопротивлением. Поэтому внешнее напряжение прикладывается непосредственно к p –n -переходу.
2. В области p –n -перехода отсутствуют процессы генерации и рекомбинации свободных носителей заряда. Тогда ток через переход в зависимости от приложенного к переходу внешнего напряжения U внеш, т.е. вольт-амперную характеристику, можно описать формулой Шокли:
,
где I 0 – тепловой ток, который создается неосновными носителями заряда и зависит от трех факторов:
1) концентрации неосновных носителей заряда, обратно пропорциональной концентрации примесей;
2) ширины запрещенной зоны Чем больше тем мень-
ше I
0 ;
3) температуры. С увеличением температуры растет скорость генерации носителей заряда и увеличивается их концентрация.
3.6. Зонная (энергетическая) диаграмма
p–n-
перехода
При U внеш = 0. Состояние равновесия. Уровень Ферми имеет одно значение для всей структуры (рис. 3.4).
При U внеш 0. Прямое включение p–n -перехода (рис. 3.5).
Рис. 3.4. Зонная диаграмма равновесного p–n -перехода
Рис. 3.5 . Зонная диаграмма при прямом включении p -n -перехода
При U внеш 0. Обратное включение p–n -перехода (рис. 3.6).
Рис. 3.6 . Зонная диаграмма при обратном включении p –n -перехода
3.7. Отличия ВАХ реального
и идеализированного p–n
-переходов
Реальные p–n
-переходы являются, как правило, несимметричными. При этом концентрация примеси в одной области превышает концентрацию примеси в другой. Область с большей концентрацией называется эмиттером, с меньшей – базой. Меньшая концентрация примесей означает меньшую электропроводность и большее удельное сопротивление. Поэтому в реальных p–n
-переходах пренебрегать удельным
сопротивлением базы нельзя. Эквивалентная схема реального
p–n
-перехода имеет вид (рис. 3.7).
Рис. 3.7 . Эквивалентная схема реального p–n -перехода
Вторым отличием реального p–n -перехода от идеализированного является наличие в обедненном слое процессов генерации и рекомбинации носителей заряда. Поэтому при обратном включении ток через переход не постоянен, а зависит от приложенного к переходу напряжения (рис. 3.8).
Рис. 3.8 . Отличие ВАХ реального p –n -перехода от идеализированного
Третье отличие заключается в присутствии явления пробоя при
обратном включении p–n
-перехода.
3.8. Пробой p–n -перехода
Пробой проявляется как резкое увеличение тока через
p
–n
-переход при незначительном изменении приложенного обратного напряжения.
Различают три вида пробоя.
Лавинный пробой – возникает за счет лавинного размножения неосновных носителей заряда путем ударной ионизации. Напряжение, при котором он появляется, увеличивается с ростом температуры (рис. 3.9).
Рис. 3.9. ВАХ при лавинном пробое
Туннельный пробой – возникает за счет перехода электронов из связанного состояния в свободное без сообщения им дополнительной энергии. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис. 3.10).
Рис. 3.10. ВАХ при туннельном пробое p–n -перехода
Тепловой пробой – это пробой, развитие которого обусловлено выделением тепла вследствие прохождения тока через переход. В отличие от лавинного и туннельного является необратимым, т. е. в результате пробоя переход перестает работать. С ростом температуры напряжение пробоя уменьшается (рис. 3.11).
Рис. 3.11 . ВАХ при тепловом пробое p–n -перехода
3.9. Зависимость ВАХ p
–n
-перехода
от температуры
С ростом температуры ток через p–n -переход при прямом включении растет из-за увеличения энергии носителей электрического заряда, которые за счет этого легче преодолевают потенциальный барьер.
При обратном включении p–n -перехода с ростом температуры ток через него увеличивается за счет повышения скорости генерации носителей заряда в переходе (рис. 3.12).
Рис. 3.12. Зависимость ВАХ p–n -перехода от температуры
3.10. Зависимость ВАХ p–n- перехода от материала полупроводника
Вольт-амперная характеристика p – n -перехода зависит от ширины запрещенной зоны энергетической диаграммы материала полупроводника.
Чем больше ширина запрещенной зоны , тем меньше скорость тепловой генерации и меньше концентрация неосновных носителей, создающих обратный ток I 0 . Следовательно, обратный ток меньше.
При прямом включении p – n -перехода ток через него будет тем больше, чем меньше ширина запрещенной зоны. Действительно, ток через p – n -переход определяется как
.
С увеличением значения ток I 0 уменьшается и ток I также уменьшается.
Для наиболее распространенных полупроводниковых материалов Ge, Si и GaAs ВАХ соотносятся следующим образом (рис. 3.13).
Рис. 3.13
. Зависимость ВАХ p–n
-перехода
от материала
3.11. Емкость p–n -перехода
В обедненном слое p – n -перехода присутствуют объемные заряды, которые образованы зарядами ионизированных донорных и акцепторных примесей. Эти заряды равны по величине и противоположны по знаку. Поэтому обедненный слой подобен конденсатору. Так как заряды определяют потенциальный барьер, то емкость называется барьерной. Ее величина равна
Где 
,
где S – площадь p–n -перехода, U – внешнее напряжение, приложенное к переходу, n = 0,5 для резкого перехода, n = 0,3 для плавного перехода.
Зависимость величины барьерной емкости от величины приложенного к переходу напряжения называется вольт-фарадной характеристикой
(рис. 3.14).
При прямом включении p–n -перехода происходит процесс инжекции неосновных носителей заряда. Появляются избыточные концентрации неосновных носителей в каждой области и в соответствии с условием электрической нейтральности равные им избыточные концентрации основных носителей. Таким образом, в n -области (как в конденсаторе) оказываются в равном количестве положительный заряд избыточных дырок (неосновные носители) и отрицательный заряд избыточных электронов (основные носители). Аналогично p -область ведет себя как конденсатор с отрицательным зарядом избыточных электронов (неосновные носители) и равным ему положительным зарядом избыточных дырок (основные носители).
Процесс накопления избыточных зарядов принято характеризовать диффузионной емкостью, которая учитывает изменение избыточных носителей (дырок и электронов) в обеих областях при изменении напряжения.
Диффузионная емкость определяется прямыми диффузионными токами дырок I p и электронов I n (отсюда название емкости) и временем жизни неосновных носителей и :
.
Диффузионные токи I p
и I n
растут с увеличением прямого напряжения на p-n
-переходе и быстро обращаются в нуль при обратном. Поэтому зависимость С
диф от напряжения примерно повторяет ход прямой ветви ВАХ p–n
-перехода.
Эквивалентная схема p–n -перехода, учитывающая его емкостные свойства, приведена на рис. 3.15.
3.12. Контакт металл–полупроводник
Контакты между полупроводником и металлом широко используются для формирования внешних выводов от полупроводниковых областей приборов и создания быстродействующих диодов. Тип контакта металл–полупроводник определяется работой выхода электронов из металла и полупроводника, током проводимости полупроводника и концентрацией примеси в нем.
Работа выхода электронов – это энергия, необходимая для перевода электронов с уровня Ферми на потолок верхней свободной зоны.
При идеальном контакте металла с полупроводником и без учета поверхностных состояний происходит диффузия электронов преимущественно из материала с меньшей работой выхода. В результате диффузии и перераспределения зарядов нарушается электрическая нейтральность прилегающих к границе раздела областей, возникают контактное электрическое поле и контактная разность потенциалов
где А м, А п – работа выхода электронов из металла и полупроводника.
Переходный слой, в котором существует контактное (или диффузионное) электрическое поле и который образован в результате контакта между металлом и полупроводником, называется переходом Шоттки.
В зависимости от типа электропроводности полупроводника и от соотношения работ выхода в полупроводнике может возникать обедненный или обогащенный слой. Если работа выхода в металле меньше работы выхода в полупроводнике А м < А п, то электроны с большей вероятностью будут переходить из металла в полупроводник. Это приводит к образованию в полупроводнике обедненного слоя, если полупроводник p -типа, или даже инверсного слоя, если А м << А п. Если полупроводник n -типа, то образуется обогащенный слой.
В обедненных слоях пространственный заряд формируется в результате нарушения компенсации заряда ионизированных примесей основными носителями, а в обогащенных – из-за накопления основных носителей заряда. Обогащенный слой обусловливает малое сопротивление приконтактной области полупроводника по сравнению с сопротивлением объема полупроводника. Поэтому такой переход не обладает выпрямляющими свойствами и образует омический контакт. При наличии обедненного или инверсного слоя переход Шоттки обладает выпрямляющими свойствами, так как внешнее напряжение, падая в основном на высокоомном переходе, будет изменять высоту его потенциального барьера, изменяя условия прохождения носителей заряда через переход.
Характерной особенностью выпрямляющего перехода Шоттки в отличие от p–n -перехода является разная высота потенциальных барьеров для электронов и дырок. В результате через переход Шоттки может не происходить инжекция неосновных носителей заряда в полупроводник. Поэтому они не накапливаются и нет необходимости в их рассасывании. Отсюда высокое быстродействие перехода Шоттки.
Гетеропереходы
Гетеропереходом называется переходный слой с существующим там диффузионным электрическим полем между двумя различными по химическому составу полупроводниками.
Ширина электрических зон различных полупроводников различна. Поэтому на границе раздела двух полупроводников (на металлургическом контакте гетероперехода) получается разрыв дна зоны проводимости и потолка валентной зоны. В результате разрывов высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обуславливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие от p –n -переходов.
Гетеропереходы могут образовываться полупроводниками с различным типом проводимости: p –n , p –p , n –n . В зависимости от типа проводимости и ширины запрещенной зоны энергетических диаграмм ток через переход может определяться как электронами, так и дырками. Например, через контакт германия p -типа и арсенида галлия n -типа течет в основном электронный ток (рис. 3.16).
Рис. 3.16. Зонная диаграмма перехода Ge (p -типа) – GaAs (n -типа)
Через переход германий p -типа, арсенид галлия p -типа течет в основном дырочный ток (рис. 3.17).
Рис. 3.17 . Зонная диаграмма перехода Ge (p -типа) – GaAs (p -типа)
Для формирования качественного гетероперехода необходимо совпадение типа, ориентации и периода кристаллических решеток контактирующих полупроводников, чтобы кристаллическая решетка одного полупроводника с минимальным количеством нарушений переходила в кристаллическую решетку другого полупроводника. Наиболее широкое применение в полупроводниковых приборах имеют гетеропереходы между полупроводниками на основе арсенидов, фосфидов и антимонидов галлия и алюминия. Благодаря близости ковалентных радиусов галлия и алюминия изменения химического состава полупроводников в гетеропереходе происходят без изменения периода кристаллической решетки. Гетеропереходы создают также на основе многокомпонентных твердых растворов, в которых при изменении состава в широких пределах период решетки не изменяется.
3.14. Структура металл–диэлектрик–полупроводник
Структуры металл–диэлектрик–полупроводник (МДП) составляют основу полевых МДП транзисторов, фотоэлектрических приборов, конденсаторов, управляемых напряжением, а также широко используются в интегральных схемах.
Простейшая МДП структура содержит полупроводниковый кристалл – подложку, слой диэлектрика, металлический электрод – затвор, омический контакт к подложке (рис. 3.17).
Рис. 3.17 . Простейшая МДП структура
Структура имеет два вывода – затвор и контакт к подложке и является МДП конденсатором, емкость которого зависит от напряжения U между затвором и выводом подложки.
Напряжение затвора создает электрическое поле, проникающее через тонкий (0,03…0,1 мкм) слой диэлектрика в приповерхностный слой полупроводника, где оно изменяет концентрацию носителей. В зависимости от значения напряжения наблюдаются режимы обогащения, обеднения или инверсии.
Эквивалентную схему МДП структуры можно представить последовательным включением двух конденсаторов С D – емкость диэлектрика и С g :
где J п – плотность заряда нескомпенсированных ионов примесей и подвижных носителей заряда в полупроводнике, j пов – напряжение в поверхностном слое полупроводника, S – площадь затвора.
Наиболее широко применяется МДП структура на основе кремния, где диэлектриком служит диоксид кремния, затвором – пленка алюминия.
Похожая информация.
По способности проводить электрический ток твёрдые тела первоначально разделяли на проводники и диэлектрики. Позже было замечено, что некоторые вещества проводят электрический ток хуже, чем проводники, но и к диэлектрикам их тоже нельзя отнести. Их выделили в отдельную группу полупроводников. Характерные отличия полупроводников от проводников:
- Значительная зависимость проводимости полупроводников от температуры.
- Сильное влияние на проводимость полупроводников даже незначительного количества примесей.
- Влияние на их проводимость различных излучений (световых, радиационных и др.). По этим особенностям полупроводники ближе к диэлектрикам, чем к проводникам.
Для производства полупроводниковых приборов используются в основном германий, кремний, арсенид галлия. Германий является редким элементом, рассеянным в природе, кремний же наоборот очень распространён. Однако встречается не в чистом виде, а только в виде соединений с другими элементами, в основном с кислородом. Арсенид галлия – это соединение мышьяка с галлием. Его стали применять сравнительно недавно. По сравнению с германием и кремнием арсенид галлия меньше подвержен воздействию температуры и радиации.
Для понятия механизма работы полупроводниковых приборов нужно сначала ознакомиться с проводимостью в полупроводниках и механизмом образования p
-n переходов.Наиболее широко используются полупроводники германий и кремний. Они относятся к IV группе периодической системы Менделеева. На внешней оболочке атома германия (или кремния) находятся 4 валентных электрона. Каждый из них образует с соседними четырьмя атомами ковалентные связи. Они образуются двумя электронами, каждый из которых принадлежит одному из соседних атомов. Парноэлектронные связи очень устойчивы, поэтому каждая электронная пара прочно связана со своей атомной парой и не может свободно перемещаться в объёме полупроводника. Это справедливо для химически чистого полупроводника, находящегося при температуре близкой к 0 К
(абсолютный нуль). При повышении температуры атомы полупроводника начинают совершать тепловое колебательное движение. Энергия этого движения передаётся электронам, и для некоторых из них она оказывается достаточной, чтобы оторваться от своих атомов. Эти атомы превращаются в положительные ионы, а оторвавшиеся электроны могут свободно перемещаться, т.е. становятся носителями тока. Если говорить точнее, уход электрона приводит к частичной ионизации 2-х соседних атомов. Появляющийся при этом единичный положительный заряд следует относить не к тому или иному атому, а к нарушению парноэлектронной связи, оставленной электроном. Отсутствие электрона в связи называется дыркой. Дырка имеет положительный заряд равный по абсолютной величине заряду электрона. Дырка может быть занята одним из электронов соседней связи, при этом образуется дырка в соседней связи. Переход электрона из одной связи в другую соответствует перемещению дырки в обратном направлении. Практически удобнее рассматривать непрерывное движение положительного заряда, чем поочерёдное перемещение электронов из связи в связь. Проводимость, которая возникает в объёме полупроводника за счёт нарушения связей, называется собственной проводимостью . Различают два типа проводимости: n – типа и p - типа (от слов negative – отрицательный, positive – положительный). Проводимость n – типа называют электронной, а p – типа – дырочной.
Отметим, что нарушение валентных связей может происходить не только за счёт тепловой энергии, но и за счёт энергии света или энергии электрического поля.
Всё, что мы рассмотрели, относится к чистым полупроводникам, т.е. к полупроводникам без примесей. Введение же примесей изменяет электрические свойства полупроводника. Атомы примеси в кристаллической решётке занимают места основных атомов и образуют парноэлектронные связи с соседними атомами. Если в структуру чистого полупроводника (германия) ввести атом вещества, относящегося к V группе периодической системы элементов (например, атом мышьяка), то этот атом также будет образовывать связи с соседними атомами германия. Но атомы V группы имеют на внешней оболочке 5 валентных электронов. Четыре из них образуют устойчивые парноэлектронные связи, а пятый окажется лишним. Этот избыточный электрон связан со своим атомом намного слабее и, чтобы оторвать его от атома, требуется меньше энергии, чем для освобождения электрона из парноэлектронной связи. Кроме того, превращение такого электрона в свободный носитель заряда не связано с одновременным образованием дырки. Уход электрона с внешней оболочки атома мышьяка превращает его в положительный ион. Тогда уже можно говорить об ионизации данного атома, этот положительный заряд не будет перемещаться, т.е. не является дыркой.
При увеличении содержания мышьяка в кристалле германия увеличивается количество свободных электронов без увеличения количества дырок, как это имело место при собственной проводимости. Если концентрация электронов значительно превышает концентрацию дырок, то основными носителями тока будут электроны. В этом случае полупроводник называют полупроводником n – типа. Теперь введём в кристалл германия атом III группы, например, атом индия. У него три валентных электрона. Он образует устойчивые связи с тремя атомами германия. Четвёртая связь остаётся незаполненной, но не несёт в себе заряда, поэтому атом индия и смежный с ним атом германия остаются электрически нейтральными. Уже при небольшом тепловом возбуждении электрон одной из соседних парноэлектронных связей может перейти в эту четвёртую связь.
Что при этом произойдёт? Во внешней оболочке индия появится лишний электрон, атом превращается в отрицательный ион. Нарушится электрическая нейтральность в той парноэлектронной связи, откуда пришёл электрон. Появится положительный заряд – дырка в этой нарушенной связи. При увеличении содержания индия будет увеличиваться количество дырок, и они станут основными носителями заряда. В этом случае полупроводник называется полупроводником p – типа.
Электронно-дырочный переход (p – n переход).
p – n переходом называют область, находящуюся на границе раздела между дырочной и электронной областями одного кристалла. Переход создаётся не простым соприкосновением полупроводниковых пластин p и n типа. Он создаётся в одном кристалле введением двух различных примесей, создающем в нём электронную и дырочную области.
Рис.1. Механизм образования и действия p – n перехода.
а – основные и неосновные носители в областях полупроводника.
б – образование p – n перехода.
в – направление протекания диффузионного тока и тока проводимости.
г – p–n переход под действием внешнего обратного напряжения.
1 – электроны; 2 – дырки; 3 – граница раздела; 4 – неподвижные ионы.
Рассмотрим полупроводник, в котором имеются две области: электронная и дырочная. В первой – высокая концентрация электронов, во второй – высокая концентрация дырок. Согласно закону выравнивания концентрации электроны стремятся перейти (диффундировать) из n – области, где их концентрация выше в p – область, дырки же – наоборот. Такое перемещение зарядов называется диффузией. Ток, который при этом возникает – диффузионным. Выравнивание концентраций происходило бы до тех пор, пока дырки и электроны не распределились бы равномерно, но этому мешают силы возникающего внутреннего электрического поля. Дырки, уходящие из p – области оставляют в ней отрицательно ионизированные атомы, а электроны, уходящие из n области – положительно ионизированные атомы. В результате дырочная область становится заряженной отрицательно, а электронная – положительно. Между областями возникает электрическое поле, созданное двумя слоями зарядов.
Таким образом, вблизи границы раздела электронной и дырочной областей полупроводника возникает область, состоящая из двух слоёв противоположных по знаку зарядов, которые образуют так называемый p – n переход. Между p и n областями устанавливается потенциальный барьер. В рассматриваемом случае внутри образовавшегося p – n перехода действует электрическое поле Е, созданное
двумя слоями противоположных зарядов. Если направление электронов, попавших в электрическое поле, совпадает с ним, то электроны тормозятся. Для дырок – наоборот. Таким образом, благодаря возникшему электрическому полю, процесс диффузии прекращается. На РИС.1 видно, что и в n- и в p- области имеются как основные, так и неосновные носители заряда. Неосновные носители образуются за счёт собственной проводимости. Электроны p – области, совершая тепловое хаотическое движение, попадают в электрическое поле p – n перехода и переносятся в n область. То же происходит с дырками n – области. Ток, образованный основными носителями, называют диффузионным током, а неосновными - током проводимости. Эти токи направлены навстречу друг другу, и так как в изолированном проводнике общий ток равен нулю, то они равны. Приложим теперь к переходу внешнее напряжение плюсом к n – области, а минусом к p – области. Поле, создаваемое внешним источником, усилит действие внутреннего поля p – n перехода. Диффузионный ток уменьшится до нуля, так как электроны из n – области и дырки из p – области увлекаются от p – n перехода к внешним контактам, в результате чего p – n переход расширяется. Через переход проходит только ток проводимости, который называют обратным. Он состоит из электронного и дырочного токов проводимости. Напряжение, приложенное таким образом, называют обратным напряжением. Зависимость тока от напряжения показана на рисунке.
Рис. Вольт-амперная характеристика p-n перехода. 2 – прямая ветвь; 1 – обратная ветвь.
Если внешнее напряжение приложено плюсом к p – области, а минусом к n – области, то электрическое поле источника будет направлено навстречу полю p – n перехода и ослабит его действие. При этом увеличится диффузионный (прямой) ток (2). Это явление положено в основу работы полупроводникового диода.
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 .
