Тема 1.5 Електронно-дірковий перехід ф ізичні основи роботи електронно-діркового переходу (р-п переходу)

р-п переходом називається вузька зона на межі між шарами НП р- і п-типу, як зображено на рис. 1.4.

Фізичні процеси, що відбуваються у р-п переході, визначають параметри та характеристики більшості НП приладів.

Допустимо, що концентрація основ­них носіїв у обидвох шарах НП одна­кова. При об'єднанні двох НП виникає взаємна дифузія (яку можна вважати за дифузійний струм і_диф ,) електронів із n-шару у р-шар (вони заповнюють вільні ковалентні зв'язки), а дірок у про­тилежному напрямку. Внаслідок цього у приконтактній зоні НП р-типу (зав­дяки іонам акцепторної домішки з'являється негативний заряд, а у при­контактній зоні n-типу (завдяки іонам донорної домішки - позитивний за­ряд. Між цими зарядами виникає внутрішнє електричне поле з напруже­ністю , яке гальмує рух основних носіїв зарядів. З іншого боку, воно виявляється прискорюючим для не­основних рухомих носіїв зарядів (теплових), внаслідок чого через межу між НП виникає дрейфова складова струму і_др, протилежна дифузійній складовій і_диф , зумовленій рухом основних носіїв зарядів (внаслідок про­тікання і_диф відбувається рекомбінація рухомих основних носіїв зарядів).

У сталому становищі

(1.1)

Ця рівновага настає за певної контактної різниці потенціалів, що визначаєть­ся величиною об'ємного заряду і називається потенціальним бар’єром φ

Величина φ_к залежить від матеріалу НП і його температури. Для германію φ_к= (0,4 - 0,6) В, для кремнію φ_к = (0,6 - 0,8) В.

Зона об'ємного заряду - це й є електронно-дірковий перехід (р-­ії перехід). Ширина його, позначена як L, вимірюється десятками мікронів. Оскільки у р-п переході відсутні рухомі носії зарядів (він заповнений нерухомими іонами), то його електричний опір дуже великий.

Розглянемо поведінку р-п переходу при підімкненні до нього зовнішньої на­пруги. Можливе пряме або зворотнє вмикання.

При зворотньому вмиканні, як пока­зано на рис. 1.5, до р-п переходу при­кладається зовнішня напруга U_зн , внас­лідок чого до його внутрішнього елек­тричного поля додається зовнішнє елек­тричне поле з напруженістю Е У ре­зультаті поле в р-п переході зростає і дорівнює

Рис. 1.5 - Зворотне вмикання р-п переходу

Оскільки електричний опір р-п переходу дуже великий, практично вся напруга U_зн прикладається до нього.

Отже, різниця потенціалів на переході становить

(1.3)

де φ_рез - результуюча різниця потенціалів.

Запірні властивості переходу при цьому зростають і дифузійна скла­дова струму і_диф зменшується, а дрейфова і_др не змінюється (бо зале­жить лише від ступеня нагріву речовини) і через перехід протікає зво­ротний струм

(1.4)

Оскільки і_диф—> 0, то зворотний струм визначається концентрацією неосновних носіїв зарядів і є незначним за величиною.

При прямому вмиканні, як показано на рис. 1.6, за зазначеною полярністю зовнішньої напруги зовнішнє електрич­не поле спрямоване назустріч внутріш­ньому і результуюча напруженість зменшується

(1.5)

При цьому і_диф зростає, а і_др змен­шується. Різниця потенціалів становить

(1.6)

У цьому випадку через перехід тече прямий струм

(1.7)

Рис. 1.6 - Пряме вмикання р-п переходу

Він обумовлюється дифузійною складовою струму, тобто залежить від концентрації основних рухомих носіїв зарядів і є великим за вели­чиною.Таким чином, р-п перехід має вентильні властивості (від німецького слова ventil — клапан), тобто при прямому вмиканні його опір малий, а при зворотньому - значний.

Оскільки у р-п переходу явно вира­жені нелінійні властивості, то залежність струму, що через нього протікає, від прикла­деної напруги ілюструють за допомогою вольт-амперної характеристи­ки (ВАХ).

Теоретична ВАХ р-п переходу показана на рис. 1.7. Вона має пря­му (1) та зворотні (2,3) гілки.

Рис. 1.7 - Теоретична ВАХ р-п переходу

Якщо напруга прямого вмикання U_пр <φ_к, через перехід, опір якого великий, тече малий струм. Як тільки зі збільшенням U_пр воно досягне величини U_пр =φ_к , запірні властивості р-п переходу зникають і струм через перехід визначається лише провідністю р- і п- областей.

При зростанні від нуля зворотної напруги U , швидкість руху не­основних носіїв через перехід зростає. При U_зв =Un швидкість рухомих носіїв така, що їх енергії вистачає для виникнення в матеріалі ударної іонізації – ви бивання додаткових носіїв заряду. Внаслідок цього відбу­вається лавиноподібний зріст зворотного струму. Це явище називаєть­ся електричним пробоєм р-п переходу, а II - напругою пробою. Якщо при цьому р-п перехід ефективно охолоджується, різке зростання по­тужності, що в ньому виділяється (Uзв * Iзв), не призводить до суттєвих змін температури структури і електричний пробій протікає при незмінній напрузі. Це явище має зворотний характер. Тобто, при зниженні Uзв запірні властивості р-п переходу відновлюються (гілка 2 ВАХ).

Явище електричного пробою використовується, наприклад, при ство­ренні такого НП приладу, як стабілітрон.

При неефективному тепловідведенні, температура структури зрос­тає (кількість рухомих носіїв при цьому збільшується за рахунок теп­лової генерації), доки електричний пробій не переходить у тепловий, коли матеріал розплавляється і р-п перехід руйнується. Тепловий пробій, зрозуміло, незворотний (гілка З ВАХ).

Отже, р-п перехід - це явище, що виникає на межі двох НП різного типу провідності і характеризується відсутністю у прилеглій до цієї межі зоні вільних носіїв заряду, через що її опір нескінченний. Тому р-п пере­хід ще називають запірним шаром.

Насамкінець зазначимо властивості р-п переходу, які (в основному) використовуються при побудові електронних НП приладів".

1) одностороння провідність (вентильні властивості);

2) дуже великий опір зони р-п переходу як зони, де немає вільних носіїв заряду (запірні властивості);

3) зміна ширини р-п переходу зі зміною величини зворотної напру­ги (як результат - зміна ємності р-п переходу);

4) стабільність напруги на р-п переході в режимі електричного пробою;

5) наявність неосновних носіїв (що виникають внаслідок теплової генерації) в шарах р- і п-типу.

ЛЕКЦІЯ № 5