P-n-переход

Электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров и интегральных микросхем (ИМС). В полупроводниковых приборах используется свойство односторонней проводимости p-n-переходов. Электронно-дырочным называют такой p-n-переход, который образован двумя областями полупроводника с разными типами проводимости: электронной (n) и дырочной (p). Получают p-n-переход с помощью диффузии или эпитаксии.

В физике твёрдого тела, ды́рка — это отсутствие электрона в электронной оболочке. Для создания дырок в полупроводниках используется легирование кристаллов акцепторными примесями. Кроме того, дырки могут возникать и в результате внешних воздействий: теплового возбуждения электронов из валентной зоны в зону проводимости, освещения светом или облучения ионизирующим излучением.

p-n-перехо́д (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.

 

Полупроводниковые элементы включают группу элементов с собственной электропроводностью 10²-10^-8 См/м. Электри́ческая проводи́мость (электропроводность, проводимость) — способность тела проводить электрический ток, а также физическая величина, характеризующая эту способность и обратная электрическому сопротивлению. В Международной системе единиц (СИ) единицей измерения электрической проводимости является сименс.

Согласно зонной теории к полупроводникам относят элементы, у которых ширина запрещенной энергетической зоны <3эВ. Так у германия она равна 0,72 эВ, у кремния 1,11 эВ, у арсенида галия – 1,41 эВ.

 

 

Рисунок 9 - Полупроводник без примеси

 

У проводников запрещенная зона отсутствует.

Электронно-дырочная проводимость возникает в результате разрыва валентных связей, являясь собственной проводимостью, которая обычно невелика. Под воздействием электрического поля, температуры и других внешних факторов электрические свойства полупроводников изменяются в значительно большей степени, чем свойства проводников и диэлектриков. Для увеличения электропроводности в полупроводники вводят незначительное количество примесей, при этом оказывается, что в зависимости от рода примеси получают как полупроводники с дырочной проводимостью (при добавках трёхвалентной примеси — акцепторов типа индий (In)), называемых полупроводниками p-типа, так и полупроводники с электронной проводимостью (при добавках пятивалентной примеси — доноров типа мышьяк (As)), называемых полупроводниками n-типа.

При сплавлении полупроводников различных типов создаётся область объёмного заряда по обе стороны от границы раздела, называемая электронно-дырочным или p-n-переходом.

В полупроводнике p-типа концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — носители заряда, хаотично двигаясь, перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше. При такой диффузии электроны и дырки переносят с собой заряд. Как следствие, область на границе станет заряженной, и область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе раздела, получит дополнительный отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получит положительный заряд, приносимый дырками. Таким образом, граница раздела будет окружена двумя областями пространственного заряда противоположного знака.

Электрическое поле, возникающее вследствие образования областей пространственного заряда, вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие и перетекание зарядов прекращается.

При этом возникает так называемый запирающий (барьерный) слой в несколько микрометров, лишенный носителей заряда, с напряженностью E_з электрического поля, которая препятствует диффузии носителей заряда (рис. 10, а).

Рисунок 10 – Запирающий слой: а) при отсутствии напряжения; б)при подаче обратного напряжения; в)при подаче прямого напряжения

 

Если к p-n-переходу приложить обратное напряжение (рис. 10, б), то создаваемая им напряженность E_з электрического поля повышает потенциальный барьер и препятствует переходу электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. При этом поток неосновных носителей (дырок из n-области и электронов из p-области), их экстракция, образует обратный ток I_обр .

Если включить внешний источник энергии Е, как это показано на рис. 10, в, то создаваемая им напряженность электрического поля будет противополож-ной направлению напряженности E_з объёмного заряда, и в область раздела полупроводников будет инжектироваться все большее количество дырок (являющимися неосновными для n-области носителями заряда), которые и образуют прямой ток I_пр . При напряжении 0,3...0,5 В запирающий слой исчезнет, и ток I_пр определяется только сопротивлением полупроводника.

Встречной инжекцией электронов в p-область можно пренебречь, так как число дырок в рассматриваемом примере, а следовательно, и основных носителей заряда больше в p-области, чем свободных электронов в n-области, т. е.

N_a>>N_д ,

где N_aи N_д — концентрации акцепторов и доноров в p- и n-областях.

Область кристалла, имеющая более высокую концентрацию примесей, называют эмиттером, а вторую, с меньшей концентрацией, — базой.