И МЕТАЛЛОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ

2.1. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ

Область на границе двух полупроводников с различными типами электро­проводности, называется электронно-дырочным или п—р-переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких п— р-переходов. Рассмотрим более подробно физические процессы в таком переходе.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рис. 2.1). Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки. Это диффузионное перемещение электронов и дырок показано на рис. 2.1, а стрелками. Кружки с плюсом и минусом изображают атомы донорной и акцепторной примеси, заряженные соответственно положительно и отрицательно.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области п возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени — пришедшими в эту об­ласть дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заря­женными атомами акцепторной примеси и, отчасти, пришедшими сюда электро­нами. На рис. 2.1, а для упрощения носители и атомы примесей показаны только в области перехода.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов и_к = и электрическое поле (вектор напряженности Е_к). На рис. 2.1,6 изображена потенциальная диаграмма п—р- перехода для рассматриваемого случая, когда внешнее напряжение к переходу не приложено. На этой диаграмме, показывающей распределение потенциала вдоль оси х, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя. На рис. 2.1 и последующих рисунках для наглядности искажен масштаб. На самом деле толщина п — р-перехода очень мала по сравнению с размерами областей пир.

Как видно, в п — р-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. На рис. 2.1,6 изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области п в область р). Если бы мы отложили вверх положительный потенциал, то получили бы изображение такого же потенциального барьера для дырок, которые стремятся диффундировать справа налево (из области р в область п).

Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов и_к, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина п — р-перехода d уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях мень­шей толщины. Для германия, например, при средней концентрации примесей и_к = 0,3 -=- 0,4 В и d = 10^-4 – 10-⁵ см, а при больших концентрациях, создаваемых в некоторых приборах, и_к = 0,7 В и d= 10-⁶ см.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электри­ческого поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из и-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в п- область. На рис. 2.1, а такое перемещение неосновных носителей (дрейф) показано также стрелками. При постоянной температуре п — р-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

Как мы знаем, перемещение носителей за счет диффузии — это диффузионный ток i_диф), а движение носителей под действием поля — ток дрейфа (i_лр). В установившемся режиме, т. е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов i_диф и i_лримеет электронную и дырочную составляющие. Значения этих составляющих различны, так как зависят от концентрации и подвижности носителей.

На рис. 2.1, в показано распределение концентрации носителей в п — р-переходе. Взяты значения концентраций, характерные для германия. Так как концентрации основных и неосновных носителей отличаются друг от друга в миллионы раз, то по вертикальной оси они отложены в логарифмическом масштабе. Концентрации примесей в областях п и р обычно бывают различными. Именно такой случай показан на рис. 2.1, в. В полупроводнике n-типа концентрации основных и неосновных носителей взяты соответственно п_п = 10¹⁸ и р_n = 10⁸ см-³, а в полупроводнике р-типа концентрация примесей меньше, и поэтому р_р=10¹⁶ и п_р= 10¹⁰ см-³.

Как видно, в n—р-переходе концентрация электронов плавно меняется от 10¹⁸ до 10¹⁰ см-³, а концентрация дырок — от 10¹⁶ до 10⁸ см-³. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей (так называемый обедненный носителями слой). Соответственно и удельная электрическая проводимость п — р-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей пир. Можно также рассматривать слой, обед­ненный подвижными носителями, как результат действия электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле «выталкивает» из пограничных слоев подвижные носители: электроны перемещаются в область п, а дырки — в область р.

Таким образом в n —р-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов п и р-полупроводников.