Главная | Обратная связь

Електронно-дірковий перехід

Межа між двома сусідніми областями напівпровідника, що мають різний характер електропровідності між шарами р- і п-типу, назива­ється електронно-дірковим переходом, або р-п-переходом. Такий перехід є основою біль­шості напівпровідникових приладів. У наш час в напівпровідниковій електроніці най­більш широко застосовуються площинні й точкові р-п-переходи.

Площинний р-п-перехід являє собою шарово-контактний елемент в об'ємі криста­ла на межі двох напівпровідників з провідностями р- і п-типів (рис.). У виробни­цтві напівпровідникових приладів та інтег­ральних мікросхем застосовують переходи типу р⁺-п або р-п⁺, а також п⁺-п (електронно-електронний) і р⁺-р (дірково-дірковий) переходи. Індекс «+» підкреслює біль­шу електропровідність даної області монокристала. За способомвиготовлення площинні р-п-переходи поділяються на вирощені, сплавні, та дифузійні. Останнім часом при формуванні р-п-переходів мікросхем (особливо р-п- та п⁺ - п - типів) широко застосову­ється епітаксійно-планарна технологія виготовлення.

При формуванні точкового р-п - переходу через точковий контакт вістря (діаметром 10—20 мкм) металевої пружини з напівпровідником основної маси кристала п-типу пропускають протягом частини секун­ди імпульс струму порівняно великої потужності. При цьому в мікро­об'ємі під вістрям змінюється тип електропровідності за рахунок ди­фузії домішки з вістря пружини в напівпровідник. На межі поділу р- і п-шарів створюється напівсферичний р-п - перехід (рис.) діаметром порядку десятків мікрометрів.

Розглянемо електронні процеси в робочих областях кристала і в самому р-п - переході у відсутності зовнішнього електричного поля, а також за умови, що на межі поділу областей відсутні механічні де­фекти та інші включення (рис.).

Оскільки концентрація дірок у напівпровіднику р - типу набагато більша, ніж у напівпровіднику п-типу, і, навпаки, в напівпровіднику п-типу висока концентрація електронів, то на межі поділу напівпровід­ників з різною електропровідністю створюється перепад (градієнт) концентрації дірок та електронів. Це викликає дифузійне переміщен­ня дірок з р-області в п-область і електронів у протилежному напрямі. Густини діркової та електронної складових дифузійного струму при цьому відповідно j_рдиф та j_пдиф

Внаслідок відходу дірок з приконтактної області р-типу та електро­нів з приконтактної області п-типу на цих ділянках створюється збіднений на рухомі носії заряду шар і з'являється незкомпенсований від'ємний заряд за рахунок іонів акцепторної домішки (в приконтактній області р-типу) і позитивний заряд за рахунок іонів донорної домішки (в приконтактній області п-типу). На рис. збідне­ний шар відмічений кружечками зі знаками «-» та «+», що позначають негативні та позитивні іони відповідно акцепторної та донорної домішки. Таким чином, збіднений шар — це область напівпровідника з пев­ною густиною об'ємного заряду, наявність якого приводить до ство­рення електричного поля (на рис. напрям напруженості цього поля показано вектором Е). Це поле перешкоджає подальшому дифу­зійному переміщенню дірок з напівпровідника р-типу в напівпровід­ник п-типу і електронів у протилежному напрямі. Оскільки збіднений шар має незначну електропровідність у зв'язку з тим, що в ньому прак­тично відсутні вільні носії заряду, його ще називають запірним шаром.

Дія електричного поля з напругою Е проявляється в тому, що че­рез р-п - перехід можуть переміщуватися (дрейфувати) лише неоснов­ні носії заряду, тобто дірки з напівпровідника п-типу та електрони з напівпровідника р-типу, які обумовлюють дрейфові струми, густина яких відповідно j_рдр та j_пдр .

Густина повного струму через р-п-перехід визначається сумою дифузійних і дрейфових складових густин струмів, які при відсутності зовнішньої напруги однакові. Напрям струмів дрейфу протилежний струмам дифузії. Тому в стані термодинамічної рівноваги при незмін­ній температурі і відсутності зовнішнього електричного поля густина повного струму через р-п-перехід дорівнює нулю:

Подвійний електричний шар в області р-п-переходу (рис.) зумовлює контактну різницю потенціалів, яку називають потен­ціальним бар'єром j_к (рис.), що визначається рівнян­ням

де (j_т= kТ/q — тепловий потенціал при нормальній температурі, тобто при Т = 300 К, j_т= 0,26 В; k = 1,38×10^-23 Дж/К — стала Больцмана; Т — абсолютна температура; q — заряд електрона; n_n і р_n , р_p і п_p — рівноважні концентрації основних та неосновних но­сіїв заряду в n-області (p-області). У германієвих переходах j_k = 0,3-0,4 В, у кремнієвих j_k = 0,7-0,8 В.

Якщо прикласти до р-n-переходу зовнішню напругу U_R так, щоб плюс був на області напівпровідника n-типу, а мінус — на області напівпровідника p-типу (таке вмикання називають зворотним, рис. ), то збіднений шар розширюється, оскільки під дією зовнішньої на­пруги електрони і дірки як основні носії заряду зміщуються в різні сторони від р-n-переходу. Ширина нового збідненого шару показана умовно на рис. штрихпунктирними лініями. При цьому висота потенціального бар'єра також зростає і дорівнює j_к+ U_R, оскільки напругу зовнішнього зміщення прикладено відповідно до контактної різниці потенціалів (рис.). Збільшення потенціального бар'єра порушує стан термодинамічної рівноваги. При цьому дифузійна складова струму через р-n-перехід зменшується. А дрейфова складова струму не змінюється, ос­кільки концентрація неосновних носіїв заряду визначається лише про­цесом термогенерації, а не рівнем напруги. Тому при зворотному вми­канні р-n-переходу через нього проходить зворотний струм i_R, який визначається неосновними носіями й із збільшенням зворотнозміщуючої напруги наближається до сталого значення I₀ = I_nдр +І_рдр. Струм і_R = I₀ називають тепловим струмом, або струмом насичення.

Якщо змінити полярність джерела зовнішньої напруги (таке змі­щення називають прямим, рис.), то збіднений шар р-n-переходу звужується, а його провідність збіль­шується. Це пов'язано з тим, що збідне­ний шар поповнюється основними носіями заряду з об'ємів областей р- і п-типу, ос­кільки під дією U_F електрони і дірки з об'єму напівпровідника рухаються назуст­річ до р-n-переходу. Оскільки напруга зовнішнього джерела прикладається на­зустріч контактній різниці потенціалів, потенціальний бар'єр знижується і дорів­нює j_F-U_F(рис.). При цьому ство­рюються умови для інжекції основних но­сіїв заряду — дірок з напівпровідника p-типу в напівпровідник n-типу і електронів в протилежному напрямі, що зумовлює протікан­ня через р-n-перехід великого прямого струму i_F, який визначається дифузією основних носіїв заряду (дифузійний струм).

Зв'язок між прямим струмом і прикладеною до р-n-переходу пря­мою напругою U_F визначається виразом

i_F=I₀[exp(U_F/j_T)-1].

Зворотний струм можна визначити з рівняння ( ), замінивши значення U_F на - U_R. Враховуючи, що в робочій частині діапазону зворотних струмів j_T<<ïU_Rï, одержимо

i_R=I₀ .

Струм i_R значно менший за і_F . Пряма і зворотна вітки вольт-амперної характеристики, що відповідають рівнянням () і (), показані на рис.

Із співвідношень () та () вольт-амперної характеристики ви­пливає, що значення і напрям струму, який протікає через р-n-перехід, залежать від значення і знака прикладеної напруги. При пря­мому зміщенні опір p-n-переходу незначний, а струм великий. Зво­ротне зміщення на переході зумовлює значно більший опір і малий зворотний струм. Таким чином, р-n-перехід має односторонню провідність, що дозволяє використати його для випрямлення змінного струму.

Якщо зворотна напруга перевищує деяке значення U_(BR) (рис. ), що називається пробивною напругою, то зворотний струм різко зро­стає. Якщо його не обмежити, то відбувається електричний пробій р-n-переходу, що супроводжується часто тепловим пробоєм. Елек­тричний пробій пояснюється значним збільшенням напруженості електричного поля в р-n-переході при U_R>U_(BR) . Воно надає елек­тронам і діркам енергії, достатньої для ударної іонізації частинок в переході, відбувається лавиноподібний процес розмноження додатко­вих пар зарядів. Внаслідок цього різко зростає зворотний струм. Ко­роткочасний електричний пробій не руйнує р-n-переходу, тобто є оборотним явищем. А тепловий пробій супроводжується перегрівом р-n-переходу, що виводить останній з ладу.

З ростом температури зростає як прямий, так і зворотний струм. Вольт-амперна характеристика р-n-переходу при більш високій тем­пературі показана на рис. штриховою лінією.