Электронно-дырочный переход.

Электронно-дырочный переход (р – n – переход) возникает в монокристалле, имеющем две области с разным типом проводимости. Электроны ― основные носители заряда в полупроводнике n ― типа. Дырки ― неосновные. Дырки ― основные

носители заряда в полупроводнике р ― типа. Электроны ― неосновные.

 

 

Рис. 3.4.Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего электрического поля.

 

 

На рис. 3.4 основные носители заряда обозначены кружочками со знаком минус (n ― тип) и плюс (р ― тип). Неосновные носители не обозначены, т.к. их концентрация очень мала по сравнению с концентрацией основных носителей. Свободные электроны из области n мигрируют в область р, а дырки ― в обратном направлении. В результате на границе областей образуется двойной слой зарядов, поле которого (диффузии) препятствует дальнейшему переходу электронов и дырок; т.е. возникает потенциальный (энергетический) барьер движению зарядов (запирающий слой d в несколько микрон).

Таким образом, запирающий слой оказывается обеднённым свободными носителями заряда и обладает сопротивлением, во много раз большим сопротивления остальной части полупроводника.

Наличие отрицательного и положительного объёмных зарядов приводит к образованию электрического поля диффузии Е _диф.

При подсоединении р – n – перехода к источнику питания (плюс к области р — типа, минус к области n ― типа) (рис.3.5) внешнее электрическое поле Е _вн будет направлено встречно полю диффузии. И основные носители заряда получат возможность проходить через уменьшённый запирающий слой в области, где они оказываются не основными носителями заряда и рекомбинируют. Через р – n – переход проходит прямой ток, переход „отрыт”.

 

 

Рис.3.5. Электронно-дырочный переход при прямом направлении внешнего электрического поля.

 

 

При смене полярности внешнего напряжения внешнее поле Е _вн направлено согласно с полем объёмных зарядов Е_диф. (рис.3.6).

 

 

Рис.3.6. Электронно-дырочный переход при обратном направлении внешнего электрического поля.

 

 

В результате основные носители будут двигаться от перехода, и пересечь переход смогут только неосновные носители. Количество их мало и обусловленный ими ток будет небольшой.

При таком подключении р – n – переход „заперт” и через него может протекать небольшой обратный ток неосновных носителей.

На рис. 3.7 представлена вольтамперная характеристика I (U) диода и зависимость его сопротивления от величины приложенного напряжения R (U).

 

Рис.3.7. Вольтамперная характеристика p - n перехода I (U) и зависимость R (U).

 

3.5. Проводимость полупроводников.

Основным свойством полупроводников является зависимость их проводимости от внешних воздействий. Эта зависимость в сотни раз сильнее, чем у проводников. Проводимость полупроводников в сильной степени зависит от примесей и дефектов кристаллической решётки, что определяет высокие требования к чистоте и структурному совершенству полупроводниковых кристаллов.

Электрический ток в полупроводниках ― это движение свободных носителей зарядов – электронов в зоне проводимости и связанных электронов (дырок) в валентной зоне под действием внешнего электрического поля.

Электроны двигаются в направлении, противоположном направлению поля, дырки ― в направлении поля. При постоянной температуре в полупроводнике устанавливается равновесие между процессами ионизации атомов и рекомбинацией. В собственных полупроводниках возникает определённая равновесная концентрация электронов и дырок.

Проводимость собственного полупроводника

,

 

где n _e, n _p ― концентрация электронов в зоне проводимости и концентрация дырок в валентной зоне, м^-3;

е ― заряд электрона, дырки, Кл;

― подвижность электронов и дырок ;

υ _n, υ _p ― средняя скорость движения электронов и дырок (дрейфовая скорость), м/с;

Е ― напряжённость внешнего электрического поля, В/ м.

Обычно подвижность электронов больше подвижности дырок. В кремния, например, электроны подвижнее в три раза, а в германии ― в два раза по сравнению с дырками.

Удельная электропроводность полупроводников определяется концентрацией свободных носителей заряда и их подвижностью.

В случае примесных полупроводников за счёт разной концентрации электронов и дырок одной из составляющих проводимости можно пренебречь, т.е. проводимость полупроводниковых материалов может быть электронной или дырочной.

Увеличение температуры приводит к уменьшению объёмного удельного сопротивления. На кривой ρ (Т) можно выделить три характерные участка Т ₁÷ Т ₂ ― диапазон малых температур, уменьшение сопротивления связано с ионизацией примесей; Т ₂÷ Т ₃ ― участок слабого изменения сопротивления, обусловленный истощением примесей; Т ₃÷ Т ― зона ионизации собственных атомов материала. При высоких температурах полупроводник переходит в вырожденное состояние (рис.3.8)

 

 

Рис.3.8. Зависимость удельного сопротивления от температуры ρ (Т)

 

Подобно проводникам полупроводники изменяют удельное сопротивление и при других внешних воздействиях.