2.3.4 Электронно-дырочный переход

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании явлений, происходящих а контакте двух или нескольких полупроводников с различными типами электропроводности.

Область полупроводника, в которой происходит смена прово­димости с электронной на дырочную (или наоборот), называется электронно-дырочным или р — n-переходом. Система из двух на­ходящихся в контакте полупроводников должна представлять собой единый кристалл (монокристалл)-, в одной части которого при выращивании кристалла создан электронный тип проводимо­сти, а в другой — дырочный. Путем механического соединения двух полупроводников р — n -переход не создается из-за возник­новения окислов в контакте и нарушения периодичности кристал­лической решетки.

Если напряжение внешнего источника к монокристаллу не по­дано, то на границе полупроводников с различными типами про­водимости образуется двойной контактный слой (рис. 2.24). Электроны из п-области будут диффундировать (переходить) в p-область. В результате в n-области вблизи границы создается слой, обедненный электронами и имеющий избыточный положи­тельный заряд.

Дырки, в свою очередь, будут диффундировать из р-области полупроводника в противоположном направлении. В результате вблизи границы p-области усиливается отрицательный заряд, а в n-области — положительный.

Таким образом, создается двойной элект­рический слой толщиной l, который пре­пятствует дальнейшему переходу электро­нов и дырок через границу раздела двух полупроводников. Для носителей тока он является потенциальным барьером, ко­торый электроны и дырки могут преодо­леть лишь при очень высокой темпера­туре (порядка тысяч градусов). Такой кон­тактный слой, имеющий повышенное со­противление для носителей тока, называется запирающим слоем.

2.3.5 Полупроводниковые диоды

Полупроводник с одним р — n переходом называется полупро­водниковым диодом.

Если к полупроводнику с р — n переходом подключить внеш­ний источник напряжения, то сопротивление запирающего слоя будет существенно изменяться.

При подключении отрицательного полюса источника к л-полу- проводнику, а положительного к р-полупроводнику (рис. 2.25, а) электроны в полупроводнике будут перемещаться к границе раздела, а дырки в р-области — им навстречу, также к границе раздела. В результате толщина запирающего слоя l будет непре­рывно уменьшаться, так как в пограничном слое будет происхо­дить рекомбинация (нейтрализация) электронов с дырками (рис. 2.25, б).

Граница р — n перехода не будет представлять сопротивления для тока, вызываемого внешним напряжением, которое в этом случае поддерживает встречное движение электронов и дырок.

Такое подключение внешнего источника, когда его положи­тельный полюс подключается к р-полупроводнику, а отрицатель­ный— к n-полупроводнику, в результате чего сопротивление за­пирающего слоя уменьшается, называется прямым подключением, а ток через полупроводник — прямым током.

Если изменить полярность приложенного напряжения (рис. 2.25, в), то электроны в n-полупроводнике, а дырки в р-об­ласти будут перемещаться от границы раздела в противополож­ные стороны, обедняя подвижными зарядами запирающий слой и увеличивая его толщину l, в котором будут сосредоточены непо­движные заряды. Таким образом, подключение источника при­водит к смещению границы запирающего слоя.

Чем больше приложенное запирающее напряжение, тем толще двойной слой, обедненный подвижными носителями тока, и боль­ше его запирающее сопротивление. Такое подключение внешнего источника, когда его положительный полюс подключается к n-полупроводнику, а отрицательный — к р-полупроводнику, в ре­зультате чего сопротивление запирающего слоя значительно увели­чивается, называется обратным подключением, а ток через полу­проводник — обратным током.

Таким образом, р — n переход в диоде обладает односторон­ней проводимостью, и если приложить к нему переменное напря­жение, то он будет работать как выпрямитель переменного тока. Зависимость тока I от приложенного к диоду напряжения и пред­ставлена вольт-амперной характеристикой (рис. 2.26).

Название «выпрямительные» присвоено только диодам, пред­назначенным для выпрямления переменного тока низкой частоты. Диоды, предназначенные для выпрямления токов высокой частоты, обычно называют детекторами.

Конструкция и основные элементы выпрямительного диода по­казаны на рис. 2.27.

Выпрямительные диоды, как правило, делаются плоскостными для уменьшения плотности тока через р — n переход. Там, где необходимо уменьшить паразитную емкость перехода, применяют детекторы точечной конструкции.