Е Рис.2.1. Електронно-дірковий перехід при відсутності зовнішньої напруги лектронно-діркові напівпровідникові переходи

2.1. Електронно-дірковий перехід при відсутності зовнішньої напруги

Область на границі двох напівпровідників з різними типами електропровідності називається електронно-дірковим або n-р-переходом. Електронно-дірковий перехід має несиметричну провідність, тобто має нелінійний опір. Робота більшості напівпровідникових приладів (діоди, транзистори та інш.) основана на використанні властивостей одного або декількох n-р-переходів. Розглянемо більш детально фізичні процеси в такому переході.

Нехай зовнішня напруга на переході відсутня (рис.2.1). Оскільки носії заряду в кожному напівпровіднику здійснюють безладне теплове переміщення, тобто мають власні швидкості, то відбувається їх дифузія з одного типу напівпровідника в інший. Як і при будь-якій іншій дифузії, наприклад в газах і рідинах, носії переміщуються звідти, де їх концентрація більша, туди, де їх концентрація менша. Таким чином, з напівпровідника n-типу в напівпровідник р-типу дифундують електрони, а в зворотному напрямі з напівпровідника р-типу в напівпровідник n-типу дифундують дірки. Це дифузійне переміщення електронів і дірок збражене на рис.2.1.а) стрілками. Кружечки з плюсом і мінусом зображають атоми донорної і акцепторної домішок, заряджені відповідно додатно і від’ємно.

Внаслідок дифузії носіїв заряду по обидві сторони границі розділу двох напівпровідників з різним типом електропровідності утворюються об'ємні заряди різних знаків. У області n виникає додатний об'ємний заряд. Він утворений головним чином додатно зарядженими атомами донорних домішок і в незначній мірі p дірками, що прийшли в цю область. Подібно цьому в області n виникає від’ємний об'ємний заряд, утворений від’ємно зарядженими атомами акцепторних домішок і, частково, електронами, що прийшли сюди. На рис.2.1, а для спрощення носії і атоми домішок показані тільки в області переходу.

Між об'ємними зарядами, що утворилися виникає так звана контактна різниця потенціалів U_к = ( ) і електричне поле (вектор напруженості Е_к). На рис.2.1.б) зображена потенціальна діаграма п-р-переходу для випадку, що розглядається, коли зовнішня напруга до переходу не прикладене. На цій діаграмі показаний розподіл потенціалу вздовж осі х, перпендикулярної площині розділу двох напівпровідників, за нульовий, потенціал прийнятий потенціал граничного шару. Звичайно, можна було б за нульовий прийняти потенціал області n або р. На рис.2.1 і подальших малюнках для зручності спотворений масштаб. Насправді товщина n-p переходу дуже мала в порівнянні з розмірами областей n і р.

Потрібно зазначити, що об'ємні заряди різних знаків виникають поблизу границі п- і р-областей, а додатний потенціал _n або від’ємний потенціал _p створюється однаковим по всій області n або p. Якщо б у різних частинах області n або p потенціал був би різним, тобто була б різниця потенціалів, то виник би струм, внаслідок якого все одно сталося б вирівнювання потенціалу в даній області. Треба пам'ятати, що заряд і потенціал мають різне фізичне значення. Там, де є електричний потенціал, не обов'язково повинен бути заряд.

Як видно, в n-р-переході виникає потенціальний бар'єр, який перешкоджає дифузійному переходу носіїв. На рис.2.1.б) зображений бар'єр для електронів, які намагаються за рахунок дифузії переміщатися зліва направо (з області n в область р). Якби ми відклали вгору додатний потенціал, то отримали б зображення такого ж потенційного бар'єра для дірок, які прагнуть дифундувати праворуч (з області p в область n).

Висота бар'єра рівна контактній різниці потенціалів і звичайно складає десяті долі вольта. Чим більше концентрація домішок, тим вища концентрація основних носіїв і тим більша їх кількість дифундує через перехід. Густина об'ємних зарядів зростає, і збільшується контактна різниця потенціалів U_к, тобто висота потенційного бар'єра. При цьому товщина п-р-переходу d зменшується, оскільки відповідні об'ємні заряди утворяться в приграничних шарах меншої товщини. Для германію, наприклад, при середній концентрації домішок U_к = (0,3÷0,4) В і d= (10^-4÷10^-5 ) см, а при великих концентраціях, яка створюються в деяких приладах, U_к ≈0,7В і d = 10^-6 см.

Одночасно з дифузійним переміщенням основних носіїв через перехід відбувається і зворотне переміщення носіїв під дією електричного поля контактної різниці потенціалів. Це поле переміщує дірки з n-області зворотно в р-область і електрони з р-області зворотно в n-область. На рис.2.1.б) таке переміщення неосновних носіїв (дрейф) показане також стрілками. При сталій температурі n-р-перехід знаходиться в стані динамічної рівноваги. Кожну секунду через перехід в протилежних напрямах дифундує певне число електронів і дірок, а під дією поля стільки ж їх дрейфує в зворотному напрямку.

Неважко уявити собі механічну аналогію цього процесу, якщо вважати, що діаграма на рис.2.1.б) зображає гірку, на яку вкочуються кульки (електрони) з різною початковою швидкістю. За рахунок початкових швидкостей кульки будуть підійматися на ту або іншу висоту, зупинятися і скочуватися вниз під дією тяжіння. Ця аналогія придатна також і для дірок.

Як ми знаємо, переміщення носіїв за рахунок дифузії це дифузійний струм (І_диф), а рух носіїв під дією електричного поля - струм дрейфу І_др. У сталому режимі, тобто при динамічній рівновазі переходу, ці струми рівні за значеннями і протилежні за напрямками. Тому повний струм через перехід рівний нулю, що і повинне бути при відсутності зовнішнього напруги. Кожний з струмів І_диф і І_дp має електронну і діркову складові. Значення цих складових різні, оскільки залежать від концентрації і рухливості носіїв. Висота потенціального бар'єра завжди встановлюється саме такою, щоб наступила рівновага, тобто дифузійний струм і струм дрейфу компенсують один одного. Дійсно, нехай по якійсь причині, наприклад від підвищення температури, дифузія посилилася. Струм дифузії зростає, через перехід буде дифундувати більше носіїв. Це спричинить збільшення об'ємних зарядів і потенціалу по обидві сторони переходу. Значення U_к зростає, тобто посилиться електричне поле в переході і підвищиться потенціальний бар'єр. Але посилення поля спричинить відповідне збільшення струму дрейфу, тобто зворотного переміщення носіїв. Поки І_диф > І_др, висота бар'єра зростає, але зрештою за рахунок збільшення i_др наступить рівність І_диф = І_др і подальше підвищення U_К припиниться.

На рис.2.1.в) показано розподіл концентрації носіїв в n-р-переході. Взяті значення концентрацій, характерні для германію. Оскільки концентрації основних і неосновних носіїв відрізняються один від одного в мільйони разів, то по вертикальній осі вони відкладені в логарифмічному масштабі. Концентрації домішок в областях n і р звичайно бувають різними. Саме такий випадок показаний на рис.2.1.в). В напівпровіднику n-типу концентрації основних і неосновних носіїв взяті відповідно n_n = 10¹⁸ і р_п = 10⁸ см^-3, а в напівпровіднику р-типу концентрація домішок менша, і тому р_р= 10¹⁶ і n_р= 10¹⁰ см^-3.

Як видно, в n-р-переході концентрація електронів плавно змінюється від 10¹⁸ до 10¹⁰ см^-3, а концентрація дірок від 10¹⁶ до 10⁸ см^-3. Внаслідок цього в середній частині переходу утвориться шар з малою концентрацією носіїв збіднений носіями шар. Наприклад, на самій границі п і р областей концентрація електронів становить 10¹⁴ см^-3, тобто вона в 10000 раз менше, ніж в області n, а концентрація дірок рівна 10¹² см^-3, і вона також в 10000 раз менше, ніж в області р. Відповідно і питома електрична провідність n-р - переходу буде у багато разів менше, ніж в інших частинах областей n і р. Можна також розглядати шар, збіднений рухливими носіями, як результат дії електричного поля контактної різниці потенціалів. Це поле “виштовхує” з приграничних шарів рухливі носії, електрони переміщаються в область n, а дірки в область р.

Таким чином в п-р-переході виникає шар, який називають закриваючим, для якого характерний великий електричний опір в порівнянні з опором об'ємів n і р областей напівпровідника.