4.2. Электронно-дырочный переход и его основное свойство

Э лектронно-дырочный переход (p-n-переход) – это переходный слой между двумя областями монокристалла полупроводника с различными типами проводимости. Эта область формируется при легировании полупроводника донорной (n-тип) и акцепторной (p-тип) примесями. Рассмотрим физические процессы при образовании перехода в симметричной структуре, т.е. N_А = N_д (рис. 4.7).

В исходном состоянии по обе стороны от границы раздела соблюдаются условия электрической нейтральности:

(p-тип), (n-тип)

с повышенной концентрацией дырок и электронов в соответствующих областях. Причем объемные заряды основных носителей практически компенсируются противоположными зарядами неподвижных ионов:

, .

При таких условиях структура не может находиться в состоянии равновесия из-за резкого различия по концентрации одноименных носителей заряда по обе стороны от границы раздела:

Поэтому возникают следующие процессы по перераспределению зарядов:

1. Наличие градиента концентраций по одноименным зарядам вызывает процессы диффузионного переноса ОНЗ через границу раздела из приграничных областей. Такому направленному переносу носителей заряда соответствует диффузионный ток , совпадающий с направлением движения дырок.

2. Вследствие ухода ОНЗ нарушаются условия электрической нейтральности в приграничных областях: Обнажаются заряды ионов: отрицательных в p-области, положительных в n-области, т.е. возникает двойной слой ионов – область пространственного заряда.

3. Между пространственно разнесенными разноименными зарядами ионов возникает диффузионное электрическое поле Ē, направленное из области n в область p. Оно обеспечивает динамическую устойчивость, т.е. равновесное состояние данной структуры.

4. Возрастающее поле приводит к уменьшению диффузионного переноса основных носителей заряда. Так как вектор скорости диффузионного переноса направлен навстречу электрической силе (см. верхнюю часть рис. 4.7), то диффузионное поле перехода является потенциальным барьером для основных носителей заряда.

5. Диффузионное поле является ускоряющим для неосновных носителей заряда, обеспечивая их дрейф через переход (см. нижнюю часть рис. 4.7), иначе говоря, это поле представляет собой потенциальную яму для ННЗ. Дрейфовому механизму переноса этих зарядов соответствует дрейфовый ток совпадающий с направлением движения дырок.

6. Процесс формирования электрического перехода завершается при установлении динамического равновесия между величинами дрейфового и диффузионного токов.

В результате контактных явлений образуется p-n-переход, состоящий из ионов примеси и нейтральных атомов основного вещества. Эта область представляет собой обедненный слой с пониженной концентрацией подвижных носителей заряда и, как следствие, имеющий повышенное омическое сопротивление. Внутри перехода существует электрическое поле, связанное с величиной контактной разности потенциалов:

или с учетом концентрации собственных носителей заряда (4.3,б)

(4.6)

Именно соотношение между концентрацией одноименных носителей заряда в разных областях проводимости определяет величину контактной разности потенциалов.

В зависимости от материала исходного полупроводника величина контактной разности потенциалов лежит в следующих пределах:

_к = 0,25 … 0,45 В - для Ge,

_к = 0,5 … 0,9 В - для Si.

Параметр _к увеличивается в полупроводниках с большей шириной запрещенной зоны, с увеличением концентрации легирующих примесей и уменьшается с ростом температуры.

Свойство односторонней проводимости перехода проявляется в большой величине прямого тока и малом значении обратного. Подключение к p-n-переходу внешнего источника напряжения нарушает динамическое равновесие между диффузионной и дрейфовой компонентами токов. В зависимости от полярности приложенного напряжения переход получает прямое смещение (подача прямого напряжения) или обратное. Смещение является прямым, если выполняется правило своего знака: к р-области (positiv) приложен положительный потенциал источника, а к n-области (negativ) – отрицательный потенциал. При обратном смещении нарушается соответствие потенциалов источника типу проводимости областей р-n-структуры, причем изменение полярности внешнего источника приводит к весьма существенному отличию прямого и обратного токов.

Прямое смещение p-n-перехода соответствует рис. 4.8. Внешний источник напряжения U создает внутри структуры электрическое поле Ē_вн, направленное навстречу диффузионному полю перехода Ē_д. Суммарное поле Е = Е_д - E_вн внутри перехода уменьшается, т.е. падает величина потенциального барьера φ_Б = φ_к - U. При этом уменьшается ширина перехода, которая в равновесном состоянии равнялась d. С уменьшением потенциального барьера большая часть ОНЗ (p_p, n_n) преодолевает этот барьер, что приводит к резкому увеличению диффузионной компоненты тока (направление тока совпадает с направлением диффузии дырок).

Итак, в прямосмещенном p-n-переходе протекает достаточно большой прямой ток, созданный основными носителями зарядов, который имеет диффузионный характер.

О братное смещение перехода соответствует нарушению правила своего знака (рис. 4.9). В этом режиме приоритетные условия создаются для дрейфа ННЗ, а диффузионный ток ОНЗ практически отсутствует. Малая величина обратного тока обусловлена небольшой концентрацией ННЗ, которые и создают этот ток. Поле, созданное внешним источником Ē_вн, совпадает по направлению с полем перехода Ē_д, что приводит к увеличению суммарного поля Е = Е_д+Е_вн, а следовательно, и высоты потенциального барьера для ОНЗ, поэтому диффузионный ток стремится к нулю. Дрейф ННЗ под действием ускоряющего суммарного поля перехода создает обратный ток перехода . Под действием ЗЭН появляется ток во внешних выводах I, направленный по-прежнему от высокого потенциала к низкому.

Следовательно, обратный ток перехода имеет дрейфовый характер, является током ННЗ и тепловым током, так как концентрация ННЗ, а значит, и ток зависят от температуры.

Характерная особенность обратного тока – его независимость от величины обратного напряжения, что связано с малой концентрацией ННЗ. Поэтому этот ток называется также током насыщения.

Таким образом, свойство односторонней проводимости связано с наличием двух типов зарядов: ОНЗ (с высокой концентрацией) и ННЗ (с низкой концентрацией), а также фактора, регулирующего потоки этих зарядов, – диффузионного поля перехода. Причем Е_д действует ускоряюще на ННЗ и оказывает тормозящее действие на ОНЗ. Усиливает или ослабляет этот регулирующий фактор соответствующая полярность внешнего источника смещения.

В ольт-амперная характеристика p-n-перехода. Электронно-дырочный переход является существенно нелинейным элементом. Если для резистора ток изменяется пропорционально приложенному напряжению, т.е. подчиняется линейному закону Ома, то рассматриваемая структура имеет нелинейную вольт-амперную характеристику (ВАХ).

Вольт-амперная характеристика определяет зависимость между током, протекающим через переход, и напряжением, приложенным к нему: I = f(U). Эта характеристика показана на рис. 4.10. Прямая ветвь соответствует положительным напряжениям (прямое смещение перехода) и формируется диффузионным током ОНЗ. Обратная ветвь определяет ток насыщения I₀, который является дрейфовым током ННЗ. Прямая и обратная ветви приведены в различных масштабах токов, что вызвало излом характеристики в начале координат.

Аналитическое представление ВАХ соответствует следующей экспоненциальной зависимости:

(4.7)

где	I0	- обратный ток перехода,
	φT	- тепловой потенциал.

Для нелинейной ВАХ вводятся два понятия сопротивления. Пусть к p-n-переходу приложено напряжение U(t) = U_ρ+u(t), содержащее как постоянную составляющую U_ρ, так и малую переменную составляющую u(t). Тогда статическое сопротивление

(4.8)

определяет сопротивление перехода постоянному току, а динамическое (дифференциальное)

(4.9)

соответствует сопротивлению по переменной составляющей. Для аналитического расчета R_д нужно взять производную от ВАХ (4.7):

Пренебрегая малой величиной обратного тока, получаем расчетное соотношение для динамического сопротивления

(4.10)

или при комнатной температуре

При приближенном графическом расчете динамического сопротивления в окрестности рабочей точки строится характеристический треугольник, катеты которого определяют нужные для расчета (4.9) приращения ∆U и ∆I (рис. 4.11). Очевидно, что значения сопротивлений зависят от положения рабочей точки, а также уменьшаются с увеличением прямого напряжения. На ВАХ перехода влияет также выбор материала, из которого выполнена данная структура (рис. 4.12). Материал с более широкой запрещенной зоной Δε_g2 обеспечивает большую высоту потенциального барьера и, как следствие, меньшее значение прямого тока I₂<I₁ при одной и той же величине напряжения. Обратная ветвь характеристики для такого материала также соответствует меньшему значению тока насыщения, так как это ток неосновных носителей заряда. Их концентрация уменьшается с увеличением ширин ы запрещенной зоны.

ВАХ реальных p-n-переходов.

Реальные переходы являются несимметричными, т.е. дырочная и электронная области имеют разную степень легирования: слаболегированная область – база, высоколегированная – эмиттер.

Т ак, на рис. 4.13 при условии N_А>>N_Д p-область представляет собой эмиттер, а n-область – базу. Вследствие этого прямой диффузионный ток определяется в основном дырочной компонентой. Геометрически переход также несимметричен. На рис. 4.13 пунктиром показана «нейтральная» граница раздела.

Н аличие более высокоомной базовой области приводит к тому, что внешнее напряжение действует не непосредственно на p-n-переход, а перераспределяется между базой и самим переходом. Тогда в масштабе реальных рабочих токов прямая ветвь ВАХ имеет ярко выраженный пороговый эффект (рис. 4.14). Начальный участок прямой ветви, соответствующий малым токам, в данном масштабе не виден на графике, причем материалу с более широкой запрещенной зоной соответствует большее значение порогового напряжения. Если для Ge-переходов U_п~0, то для Si - U_п1~0,5 В, а для GaAs - U_п2>0,7 B.