Электронно-дырочный переход

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

(р — n-переход), область полупроводника, в к-рой имеет место пространств. изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p. Т. к. в р-области Э.-д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из р-области стремятся диффундировать в re-область, а эл-ны — в р-область. После ухода дырок из р-области в ней остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода эл-нов в n-области — положительно заряженные донорные атомы.

Рис. 1. Схема р — n-перехода: чёрные точки — эл-ны, светлые кружки — дырки.

Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-д. п. образуется двойной слой пространств. заряда — отрицат. заряды в р-области и положит. заряды в n-области (рис. 1). Возникающее при этом контактное электрич. поле противодействует дальнейшей диффузии осн. носителей тока. В условиях теплового равновесия при отсутствии внеш. электрич. напряжения полный ток через Э.-д. п. равен нулю, т. к. в Э.-д. п. существует динамич. равновесие, при к-ром небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (эл-нами в р-области и дырками в n-области), течёт к границе Э.-д. п. и проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый осн. носителями (эл-нами в n-области и дырками в р-области), благодаря диффузии протекает через Э.-д. п. в обратном направлении. При этом осн. носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между р- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов, или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрич. поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положит. потенциал приложен к р-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число осн. носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали Э.-д. п., они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в р- и n-области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, к-рый с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Приложение отрицат. потенциала к р-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через Э.-д. п. становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через Э..-Д. п. течёт ток Is (ток насыщения), к-рый обычно мал и почти не зависит от напряжения. Т. о., зависимость тока I через Э.-д. п. от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 2), т. е. проводимость Э.-д. п. сильно зависит от U. При изменении знака U значение тока через Э.-д. п. может изменяться в 105—106 раз. Благодаря этому Э.-д. п. явл. вентильным устройством, пригодным для выпрямления перем. токов (ПП диод). Зависимость сопротивления Э.-д. п. от U позволяет использовать Э.-д. п. в качестве регулируемого сопротивления (варистора). При подаче на Э.-д. п. достаточно высокого обратного смещения U=Uпр возникает электрич. пробой, при к-ром через переход течёт большой обратный ток. Различают лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объёмного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации атомов, составляющих крист. решётку, и туннельный (з и н е р о в с к и й) пробой, возникающий при туннелировании носителей сквозь барьер (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ).

Рис. 2. Вольтамперная хар-ка р — n-переход a: U — приложенное напряжение; I — ток через переход; Is — ток насыщения; Uпр — напряжение пробоя.

От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и электрич. ёмкость Э.-д. п. Действительно, повышение потенц. барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и р-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрич. ёмкости Э.-д. п. При прямом смещении к ёмкости слоя объёмного заряда (наз. также зарядной ёмкостью) добавляется т. н. диффузионная ёмкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на Э.-д. п. приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, т. е. к изменению заряда. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать Э.-д. п. в качестве параметрич. диода (варактора) прибора, ёмкостью к-рого можно управлять, меняя напряжение смещения.

Помимо использования нелинейных свойств вольтамперной хар-ки и зависимости ёмкости от напряжения, Э.-д. п. находит многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Их концентрация существенно изменяется при разл. внеш. воздействиях — тепловых, механических, оптических и др. На этом основаны разл. рода датчики (темп-ры, давления, света, ионизирующих излучений (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР) и т. д.). Э.-д. п. используется также для преобразования световой энергии в электрическую (солнечные батареи).

Э.-д. п.— основа разного рода полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров и т. д.). Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в Э.-д. п. используются в светодиодах и инжекционных лазерах.

Э.-д. п. может быть создан разл. путями: 1) в объёме одного и того же ПП материала, легированного в одной части донорной примесью (р-область), а в другой — акцепторной (n-область); 2) на границе двух разл. ПП разными типами проводимости (см. ГЕТЕРОПЕРЕХОД). Если Э.-д. п. получают вплавлением примесей в монокрист. полупроводник (напр., акцепторной примеси в кристалл с проводимостью n-типа), то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий Э.-д. п.). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный Э.-д. п. Плавные Э.-д. п. можно получать при выращивании монокристалла из расплава, в к-ром постепенно изменяют содержание и характер примесей. Получил распространение метод ионного внедрения примесных атомов, позволяющий создавать Э.-д. п. заданного профиля.

электро́нно-ды́рочный перехо́д

то же, что р — n-переход.

* * *

ЭЛЕКТРО́ННО-ДЫ́РОЧНЫЙ ПЕРЕХО́Д (p-n-переход, n-p-переход), переходная область полупроводника(см. ПОЛУПРОВОДНИКИ), в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p.Электронно-дырочный переход является основой широкого класса твердотельных приборов для нелинейного преобразования электрических сигналов в различных устройствах электронной техники.

В состоянии равновесия уровень Ферми(см. ФЕРМИ УРОВЕНЬ) в n- и p-областях выравнивается. Происходит это в результате следующих процессов. На представленной схеме изображен полупроводниковый монокристалл, (например, германий или кремний), правая часть которого легирована донорной примесью и обладает n-типом проводимости, а левая часть монокристалла легирована акцепторной примесью и является полупроводником p-типа проводимости. В общем случае концентрация доноров и акцепторов может быть неодинакова.

Так как концентрация электронов в правой части кристалла (в донорной области) выше, электроны проводимости будут диффундировать в левую часть кристалла через границу раздела и рекомбинировать с дырками. Дырки будут диффундировать в противоположном направлении. В результате в приконтактной области донорного полупроводника практически не остается свободных электронов, и в ней формируется объемный положительный заряд неподвижных ионизированных доноров. Ионизированные акцепторы создают область отрицательного пространственного заряда в акцепторном полупроводнике. Взаимная диффузия электронов и дырок продолжается до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает от заряда неподвижных доноров и акцепторов, не остановит диффузионный ток, и в полупроводнике появится потенциальный барьер UD, препятствующий самопроизвольному току в кристалле. Этот потенциал играет роль контактной разности потенциалов. Это же поле выталкивает неосновные носители, перебрасываемые из одной области в другую, и в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения, полный ток через электронно-дырочный переход равен нулю.

Таким образом, в электронно-дырочном переходе существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течет к p-n-переходу и проходит через него под действием контактного поля. Равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через переход в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Область перехода между p- и n-частями кристалла будет иметь толщину L, которую можно разбить на две составляющие L_p и L_n, расположенные, соответственно, в p- и n-областях кристалла. Расчеты показывают, что: L_n/L_p = (Na/Nd)¹², где Na и Nd — концентрации акцепторов и доноров, соответственно. То есть p-n- переход располагается преимущественно в наименее легированной области. Если концентрации доноров и акцепторов равны, то переход будет симметричным, если концентрации не равны, то — несимметричным.

По характеру распределения примесей p-n- переходы подразделяют на резкие и плавные. В случае резкого перехода потенциал UD простирается на малую длину, в случае плавного перехода — на значительную. Как правило, плавные p-n- переходы получают методом диффузионной технологии, когда осуществляется диффузия акцепторной примеси в донорный полупроводник и наоборот. Диффузия может происходить из газовой, жидкой или твердой фазы. Так как концентрация легирующей примеси при диффузии уменьшается вглубь образца постепенно, образуется плавный p-n- переход, границей которого и будет граница областей кристалла с электронным или дырочным типом проводимости. Резкий p-n- переход можно получить методами эпитаксии и ионной имплантации.

p-n- переходы, в которых по обе стороны перехода находятся полупроводники с различной шириной запрещенной зоны, например, германий — арсенид галлия, арсенид галлия — фосфид индия и т. д., называются гетеропереходами(см. ГЕТЕРОПЕРЕХОД).

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если напряжение источника питания приложено таким образом, что плюс подсоединен к p-области кристалла, а минус — к n-области, то такое направление называется пропускным. В этом случае внешнее поле направлено против контактного, то есть потенциальный барьер понижается (прямое смещение). С ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. Концентрация неосновных носителей по обе стороны электронно-дырочного перехода увеличивается за счет инжекции неосновных носителей, одновременно в р- и n-области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих нейтрализацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через электронно-дырочный переход. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает.

При обратной полярности (обратном смещении), когда положительный полюс источника питания подключен к n-области, а отрицательный — к р-области, потенциал в области перехода становится равным UD + U, где U — величина приложенного напряжения.

Повышение потенциального барьера приводит к тому, диффузия основных носителей через p-n-переход становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей через переход не изменяются, поскольку для них барьера не существует. Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через p-n-переход течет ток насыщения, который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения.

Таким образом, зависимость тока через p-n-переход от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью. При изменении знака напряжения ток через p-n-переход может меняться в 10⁵-10⁶ раз. Благодаря этому p-n-переход является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов (см. Полупроводниковый диод(см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДИОД)).

Характер вольт-амперной характеристики — кривизна восходящей ветви, напряжение отсечки, абсолютные значения токов, коэффициент выпрямления (отношение прямого и обратного токов при напряжении 1 В), и другие параметры определяются видом полупроводника, концентрацией и типом распределения примесей вблизи n-p-перехода.

Изменение напряжения, приложенного к p-n-переходу, приводит к расширению или уменьшению области пространственного заряда. Объемные заряды представляют собой неподвижные и связанные с кристаллической решеткой ионы доноров и акцепторов, поэтому увеличение объемного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением емкости p-n-перехода. При прямом смещении к емкости слоя объемного заряда, которая называется также зарядной или барьерной екостью, добавляется диффузионная емкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на p-n- переход приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, то есть к изменению заряда. Зависимость емкости от приложенного напряжения позволяет использовать p-n-переход как электрический конденсатор переменной емкости — варикап(см. ВАРИКАП).

Зависимость сопротивления p-n-перехода от величины и знака приложенного напряжения позволяет использовать его в качестве регулируемого сопротивления — варистора(см. ВАРИСТОР).

При подаче на электронно-дырочный переход достаточно высокого обратного смещения U = U_пр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток. Состояние, при котором происходит электрический пробой p-n- перехода, является нормальным режимом работы некоторых полупроводниковых приборов, например, стабилотронов(см. СТАБИЛОТРОН).

В зависимости от физических процессов, обуславливающих резкое возрастание обратного тока, различают три основных механизма пробоя p-n-перехода: туннельный, лавинный, тепловой.

Туннельный (зинеровский) пробой, возникает при туннелировании носителей сквозь барьер (см. Туннельный эффект(см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ)), когда происходит, например, туннельное просачивание электронов из валентной зоны p-области в зону проводимости n-области полупроводника. Туннелирование электронов происходит в том месте p-n-перехода, в котором в результате его неоднородности возникает наиболее высокая напряженность поля. Напряжение туннельного пробоя p-n-перехода зависит не только от концентрации легирующей примеси и критической напряженности поля, при которой происходит возрастание туннельного тока через p-n-переход, но и от толщины p-n- перехода. С увеличение толщины p-n-перехода вероятность туннельного просачивания электронов уменьшается, и более вероятным становится лавинный пробой.

При лавинном пробое p-n-перехода на длине свободного пробега в области объемного заряда носитель заряда приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки, то есть в его основе лежит ударная ионизация. С ростом напряженности электрического поля интенсивность ударной ионизации сильно увеличивается и процесс размножения свободных носителей заряда (электронов и дырок) приобретает лавинный характер. В результате ток в p-n- переходе неограниченно возрастает до теплового пробоя.

Тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода, как правило, локализуется в отдельных областях, где наблюдается неоднородность структуры p-n-перехода, а, следовательно, и неоднородность протекающего через него обратного тока. Повышение температуры вызывает дальнейшее увеличение обратного тока, что в свою очередь, вызывает увеличение температуры. Тепловой пробой — необратимый процесс, преобладающий в полупроводниках с относительно узкой запрещенной зоной(см. ЗАПРЕЩЕННАЯ ЗОНА).

В p-n-переходах может также наблюдаться поверхностный пробой. Напряжение поверхностного пробоя определяется величиной заряда, локализованного на поверхности полупроводника в месте выхода p-n-перехода наружу. По своей природе поверхностный пробой может быть туннельным, лавинным или тепловым.

Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости емкости от напряжения, p-n- переходы находят многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Концентрация неосновных носителей существенно изменяется при различных внешних воздействиях — тепловых, механических, оптических и др. На этом основан принцип работы различного рода датчиков: температуры, давления, ионизирующих излучений и т. д. p-n-переходы используются также для преобразования световой энергии в электрическую в солнечных батареях.

Электронно-дырочные переходы являются не только основой разного рода полупроводниковых диодов, но также входят в качестве составных элементов в более сложные полупроводниковые приборы — транзисторы(см. ТРАНЗИСТОР), тиристоры(см. ТИРИСТОР) и т. д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в p-n-переходах используются в светоизлучающих диодах и инжекционных лазерах.

- то же, что р - n-переход.