Плоскостной электронно-дырочный p-n переход
Электронно-дырочным p-n-переходом называется граница между полупроводниками p- и n-типа. Если линейные размеры площади перехода намного больше толщины, переход называется плоскостным, если размеры соизмеримы – точечным. Рассмотрим два полупроводника, находящихся в контакте.
1.1.1 P-n переход в равновесном состоянии
Равновесное состояние перехода – это состояние, при котором отсутствует внешнее напряжение (Uвнеш= 0).
Соединяем два полупроводника p- и n- типа (см. рисунок 1.1,а). Начальная концентрация примесей, следовательно, носителей неодинакова (см. рисунок 1.1,б): pp0>>pn0 и nn0>>np0. Кроме этого, переход несимметричен (pp0>nn0). На границе перехода имеется градиент концентрации носителей заряда, который вызывает диффузию дырок из p-области в n-область и, наоборот, диффузию электронов из n-области в p-область. Вблизи перехода дырки рекомбинируют с электронами и образуется в p-области отрицательный объемный заряд ионизированных акцепторов, а в n-области положительный объемный заряд ионизированных доноров (см. рисунок 1.1,в).
Таким образом, вблизи границы двух полупроводников образуется слой l0, обедненный подвижными носителями заряда, и поэтому обладающих высоким электрическим сопротивлением, так называемый запирающий слой. Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.
Объемные плотности пространственного заряда доноров и акцепторов равны q×Nд = – q×Nа.
За счет объемного заряда на p-n переходе образуется поле Е (см. рисунок 1.1,г), напряжённость его максимальна на границе перехода. Это поле препятствует диффузии основных носителей (уменьшается диффузионный ток), но способствует перемещению неосновных носителей заряда. Под действием поля E возникает дрейфовый ток за счёт движения неосновных носителей заряда в противоположном направлении, т.е. дырок из n-области в p-область, а электронов из p-области в n-область. В изолированном полупроводнике сумма токов равна нулю. Устанавливается динамическое равновесие. В области перехода происходит искривление энергетических диаграмм и на границе слоёв возникает потенциальный барьер (см. рисунок 1.1,д), называемый контактной разностью потенциалов jк = DЕ/q.
Изменение напряженности электрического поля DЕ можно определить, например, для электронов по смещению дна зоны проводимости на энергетической диаграмме, q – заряд электрона.
Потенциальный барьер
jк = DЕ/q = (Еcp – Ecn)/q = (кТ/q) ln(pp/pn) = (кТ/q) ln(nn/np) =
= (кТ/q) ln[(NaNд)/ni2]
где кТ/q=jT – температурный потенциал.
При Т =300 К jT = 0,026 В.
Следует обратить внимание на то, что так как количество рекомбинирующих зарядов с обеих сторон одинаково, а концентрация неодинакова, то переход практически сосредоточивается в n-области.
1.1.2 Прямое смещение p-n перехода
Подадим к p-n переходу прямое смещение Uпр (см. рисунок 1.2,а), т.е. к p-области плюс, а к n-области – минус. Uпр уменьшает потенциальный барьер jк перехода
Uпер=jк – Uпр.
Ширина перехода уменьшается, основные носители идут к переходу, увеличивается диффузионный ток за счёт инжекции. Инжекция – введение основных носителей заряда через переход в область, где они становятся неосновными, при прямом смещении.
Обычно Uпр – десятые доли вольт, Iпр – единицы и десятки миллиампер.
1.1.3 Обратное смещение p-n перехода
Подадим обратное смещение к переходу (см. рисунок 1.2,б). Подключим к p-области минус, а к n-области – плюс. Потенциальный барьер увеличивается. Запирающий слой расширяется, UПЕР = jк+Uобр. Носители заряда идут от перехода, сопротивление перехода увеличивается. Диффузионный ток уменьшается. Увеличивается обратный ток. При обратном смещении имеет место экстракция – введение неосновных носителей в область, где они становятся основными, за счёт обратного смещения.
При |Uобр | > jТ обратный ток Iобр стремится к дрейфовому I0 – обратному току насыщения p-n перехода. I0 обусловлен только неосновными носителями и поэтому почти не зависит от напряжения Uобр.
Величина Uобр может быть равна десяткам и сотням вольт (ограничена тепловым пробоем), обратный ток Iобр – единицы и сотни микроампер.
Из рассмотрения прямого и обратного смещения можно сделать существенный вывод: так как концентрация неосновных носителей намного меньше концентрации основных носителей, то обратный ток, обусловленный неосновными носителями, намного меньше прямого тока, обусловленного основными носителями (Iобр << Iпр), т.е. p-n переход обладает односторонней проводимостью или выпрямительным свойством.
1.1.4 Вольтамперная характеристика p-n перехода
Зависимость тока через p-n переход от приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ) электронно-дырочного перехода. Она имеет вид
I = I0 [exp (U/jT) – 1]
где I0 – обратный ток насыщения при |–U| >> jT.
На рисунке 1.3 приведена ВАХ p-n перехода при различных масштабах по осям для положительных (миллиамперы) и отрицательных (микроамперы) значений токов.
При увеличениипрямого напряжения Uпр прямой ток Iпр увеличивается по экспоненте, так как с увеличением Uпр снижается потенциальный барьер и увеличивается диффузия основных носителей.
Величина обратного тока сильно зависит от температуры (на графике Т2 > Т1), причем при |Uобр| >> jT ток I0 не зависит от обратного напряжения, а обусловлен концентрацией неосновных носителей заряда.
1.1.5 Основные параметры p-n перехода
1.1.5.1 Характеристические сопротивления:
а) сопротивление по постоянному току
R = U/I = jT ln(I/I0+1)/I = (jT / I) ln(I/I0+1);
б) сопротивление по переменному току rд или дифференциальное сопротивление.
rд = dU/dI=d[jT ln(I/I0+1)]/dI=(jT× I0) / [(I+I0)I0]=jT / (I+I0) » jT/I.
1.1.5.2 Ёмкости p-n перехода
Различают барьерную и диффузионную емкости p-n перехода:
а) барьерная (зарядная) ёмкостьCбар обусловлена наличием зарядов (положительных и отрицательных ионов) в запирающем слое в условиях равновесия и при обратном смещении перехода, т.е. отражает перераспределение зарядов в переходе 
где e-диэлектрическая проницаемость полупроводника;
e0–диэлектрическая проницаемость в вакууме;
S–площадь перехода;
l –ширина перехода;
jк–высота потенциального барьера.
С увеличением Uобр барьерная емкость уменьшается пропорционально 
. Величина барьерной емкости равна десяткам и сотням пикофарад;
б) диффузионная ёмкость Сдиф обусловлена изменением зарядов в переходе за счёт инжекции основных носителей при прямом смещении (отражает перераспределение зарядов вблизи перехода)
Сдиф = (q/kT)Iпрt = Iпрt /jТ
где Iпр – прямой ток;
t– время жизни носителей;
j Т - температурный потенциал.
1.1.5.3 Температурная зависимость обратного тока
Тепловой обратный ток I0t зависит от температуры, так как при нагреве полупроводника увеличивается генерация неосновных носителей, при этом тепловой ток удваивается при нагреве на 8 ºС у германиевых приборов или на 10ºС – у кремниевых приборов
I0t = I0 eaDT
где I0 – тепловой ток при начальной температуре;
DT– приращение температуры;
a -температурный коэффициент тока, a=0,08 1/ºС.
1.1.6 Пробой p-n перехода
Под пробоем понимают резкое уменьшение обратного сопротивления и резкое возрастание обратного тока при незначительном увеличении напряжения. Различают два вида пробоя:
а) тепловой – в результате недостаточного теплоотвода, когда рассеиваемая мощность на переходе больше мощности отводимой. Пробой необратим, прибор выходит из строя;
б) электрический пробой связан с увеличением напряженности в запирающем слое.
Электрический пробой подразделяется на два вида:
а) лавинный пробой заключается в размножении носителей в сильном электрическом поле за счёт ударной ионизации. Имеет место в широких переходах.
Ток I=I0∙M, здесь M – коэффициент ударной ионизации или размножения;
М=1/[1-(Uобр/Uм)n]
где Uм – напряжение лавинного пробоя;
n = 3 – 5 в зависимости от материала;
б) туннельный пробой (зенеровский) развивается в узких переходах. В полупроводниках с высокой концентрацией примеси под действием напряженности поля возникает туннельный эффект, т.е. просачивание электронов сквозь потенциальный барьер (если толщина барьера мала) без затраты дополнительной энергии. Туннельный эффект возможен при обратном и небольшом прямом напряжениях, пока дно зоны проводимости ниже потолка валентной зоны.