Федосеева - Основы электроники и микроэлектроники (Основы электроники и микроэлектроники (книга)), страница 6

В собственных полупроводниках концентрации электронов и дырок одинаковы, но вследствие их разной подвижности электронная составляющая тока больше дырочной. В примесных полупроводниках концентрации электронов и дырок существенно отличаются, характер тока определяется основными носителями заряда: в полупроводниках р-типа — дырками, а в полупроводниках н-типа — электронами. При неравномерной концентрации носителей заряда вероятность их столкновения друг с другом больше в тех слоях полупроводника, где их концентрация выше.

Совершая хаотическое 23 тепловое движение, носители заряда отклоняются в сторону, где меньше число столкновений, т. е. движутся в направлении уменьшения их концентрации. Направленное движение носителей заряда из слоя с более высокой их концентрацией в слой, где концентрация ниже, называют диффузией, а ток, вызванный этим явлением, — диффузионным током.

Этот ток, как и дрейфовый, может быть электронным нлн дырочным, Степень неравномерности распределения носителей заряда характеризуется градиентом концентрации; его определяют как отношение изменения концентрации к изменению расстояния, на котором оно происходит. Чем больше градиент концентрации, т. е. чем резче она изменяется, тем больше диффузионный ток. Электроны, перемещаясь из слоя с высокой концентрацией в слой с более низной концентрацией, по мере продвижения ремомбинируют с дырками, и наоборот, днффундирующие в слой с пониженной нонцентрацией дырки рекомбинируют с электронами.

Прв этом избыточная концентрация носителей заряда уменьшаетсяя. Контрольные вопросы ! Ч о называют энергетическим уровнем н энергетической диаграммой? Какие т ? энергетические зоны содержит эиергетическан диаграмма. 2. Чем отличаются энергетические диаграммы металлов, полупроводников и диэлектриков? 3. Что представляет собой кристаллическая структура кремния и германии? 4. Объясните механизм собственной электропроводнасти полупроводника. Ь Объясните механизм прнмеснай электропроводности полупроводников л-типа н р-типе. 6.

Чем отличаются дрейфовый и диффузионный токи в полупроводнике? Гнева 1.2. эяектРОннО-дыРОчный пеРехОд !.2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения Электронно-дырочный переход, или, сокращенно, р-л лереход, — это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна — л-типа, другая — р-типа. Электронно-дырочный переход благодаря своим особым свойствам является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

Наряду с,р-л переходами в полупроводниновой технике используются и другие виды элентрических переходов, например металл-полупроводник, а также и и переход о Оано иаа завяла авныв носители заряда цн 0 х о Рис. !.8. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения: и — двухслойнан р-и структура полупроводника; б — распределение концентраций носителей заряда; а †. распределение неподвижных объемных зарпдов доноров (+) и анцептаров ! ); г — потенциальный барьер в р-и переходе Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми.

Такой р-л переход называют симметричным: рр= пи, где рр — концентрация дырок в р-области; л„— концентрация электронов в п-области. В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация которых значительно меньше, чем основных: рп«л„и пп«рр, 25 переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (л-л+ переход) и дырочно-дырочный (р-р+ переход).

Знак плюс относится к слою с большей концентрацией основных носителей заряда. Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую — акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре оказываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается р-область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается л-область) (рис. 1.8, а). где р — концентрация дырок в и-области; л„— концентрация электронов в р-области.

Распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда в двухслойной структуре показано на рнс. 1.8,б, из которого видно, что на границе двух областей возникает разность концентраций одноименных носителей заряда. Одни и те же носители заряда в одной области являются основными, а в другой — неосновными, так что дырок в и-области гораздо больше, чем в л-области, и наоборот, электронов в и-области значительно больше, чем в р-области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в и-область, а электроны — из л-области в р-область. Попадая в и-область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р-область, постепенно рекомбииируют там с дырками, и концентрация их уменьшается. Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р- и л-областей создает ток диффузии в р-и переходе, равный сумме электронного и дырочного токов: 1,„= 1„„+ 1„д„.

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок. Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированиых атомов примеси: уход электронов — положительный заряд ионов доноров в и-области, а уход дырок — отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области (рис. 1.8,а, в).

Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет рекомбинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противоположного знака. В результате образования по обе стороны границы между р- и л-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-л переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от и-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высотой потенциального барьера ~р, измеряемой в электрон-вольтах (рис. 8, г). В результате появления потенциального барьера диффузионный ток уменьшается.

Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией. Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды противоположных знаков„яв- 26 ляется переходным слоем и представляет собой собственно р-л лереход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем.

Он обладает большим удельным сопротивлением. Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновиых носителей. Совершая тепловое хаотическое движение,неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через р-л переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннею электрического поля создает в р-и переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих: 1др = 1рдр + 1ддр.

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока 1„ поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника„ т. е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тона противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому: 1„„ь = 1„, т. е. ток через р-л переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера ~рь. Установившаяся высота потенциального барьера чь в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов (1„ в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы: дгь = 1/.. В состоянии равновесия р-и переход характеризуется также шириной 1ь.

Величина чь зависит от температуры и материала полупроводника, а также от концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера уменьшается. При комнатной температуре для германия Чь, = 0,3 — 0,5 В, для кремния ~ро = 0,6 — 0,8 В. Рассмотренный симметричный р-л переход имеет одинаковую ширину частей запирающего слоя по обе стороны границы раздела. На практике чаще встречаются структуры с неодинаковой концентрацией донорной и акцепторной примесей.

В этом случае р-и переход называют несимметричным. В несимметричном р-и переходе концентрация примеси в одной из областей на два-три порядка больше, чем в другой. В области с малой концентрацией примеси ширина части запирающего слоя соответственно на два — три порядка больше, чем в области с высокой концентрацией примеси.