Тема №4 (Конспект лекций)

Глава 4. Электронно-дырочный переход.

Работа большинства полупроводниковых изделий основана на использовании электрического перехода. Электрический переход в полупроводнике – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.

Переходы между двумя областями полупроводника с разным типом электропроводности называют электронно-дырочным или p-n-переходом. Различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. В симметричных переходах концентрация электронов в полупроводнике n-типа n_n и концентрация дырок в полупроводнике p-типа p_p равны, т.е. n_n=p_n. Другими словами, концентрация основных носителей зарядов по обе стороны симметричного p-n-перехода равны. На практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация, например, электронов в полупроводнике n-типа больше концентрации дырок в полупроводнике p-типа, т.е. n_n>p_p, при этом различие в концентрациях может составлять 100-1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например n-область в случае n_n>p_p), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (p-область в случае перехода n_n>p_p), - базой. Для случая когда концентрации электронов в полупроводнике р-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа, т.е. p_p>n_n, эмиттером будет p-область, а базой n-область.

В зависимости от характера примесей, обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях, различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный (линейный). В резком переходе концентрация примесей на границе раздела областей изменится на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной, в плавном – на расстоянии, значительно большем диффузионной длины. Лучшим выпрямительными (вентильными) свойствами обладают резкие p-n-переходы. Резкий p-n-переход образуется при сплавлении, плавный – получается методом диффузии или методом выращивания из расплава.

В зависимости от площади p-n-переходы разделяются на точечные и плоскостные. Плоскостные переходы в зависимости от метода их изготовления бывают сплавными, диффузионными, эпитаксиальными и т.п.

Переходы между двумя областями с одним типом электропроводности (n- или p-типом), отличающиеся концентрацией примесей и соответственно значением удельной проводимости, называют изотипными переходами: электронно-электронными (n⁺-n-переход) или дырочно-дырочными (p⁺-p-переход). Термином n⁺ - обозначают область с концентрацией электронов, большей n концентрации, а p⁺ - область с концентрацией дырок, большей p; следовательно, слои n⁺ и p⁺ имеют меньшее удельное сопротивление, поэтому большую удельную проводимость.

Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину зоны, называют гетеропереходами, например карбид кремния. Если одна из областей, образующих переход, является металлом, то такие переходы называют переходом металл-полупроводник, которые могут обладать вентильными свойствами или омическими.

4.1. Образование p-n-перехода.

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) находится на границе между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную (n), а другая – дырочную (p) электрические проводимости, т.е. соответственно n- или p-области. Однако его нельзя создать простым соприкосновением полупроводниковых пластин n- или p-типов, так как при этом неизбежен промежуточный слой воздуха, оксидов или поверхностных загрязнений. Переход создается в кристалле полупроводника с помощью технологических процессов (например, сплавления, диффузии), в результате которых граница раздела между областями p- и n-типов находится внутри полупроводникового монокристалла.

На рис.4.1 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную электропроводность, а другая – электронную.

До установления термодинамического равновесия между p- и n-областями и в отсутствии внешнего электрического поля в таком переходе протекают следующие физические процессы. Поскольку концентрация дырок в p-области гораздо выше их концентрации в n-области, то дырки из p-области диффундируют в n-область.

Однако, как только дырки попадают в n-область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными носителями зарядов в n-области и их концентрация по мере углубления быстро убывает. Аналогично электроны из n-области диффундируют в p-область. Если бы дырки и электроны являлись нейтральными частицами, то их взаимная диффузия привела бы к полному выравниванию концентрации дырок и электронов по всему объему кристалла, p-n-переход, как таковой, отсутствовал бы.

Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к появлению в n-области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p-области – отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанной с кристаллической решеткой полупроводника (рис.4.1,б).

Распределение объемной плотности указанных зарядов ρ_об показано на рис. 4.1, в. Таким образом, на границе областей образуются два слоя равных, но противоположных по знаку зарядов. Образовавшаяся область пространственных зарядов (ОПЗ) и представляет собой p-n-переход. Его ширина обычно равна d_p-n = 10^-3-10^-4 мм. Объемные (пространственные) заря­ды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам, т.е. от
n-области к p-области. Между p- и n-областями устанавливается разность потенциалов U_K, зависящая от материала и уровня легирования. Например, U_K для германиевых p-n-переходов составляет 0,3 ÷ 0,4 В, а для кремниевых 0,7 ÷ 0,8 В.

Рис. 4.1. Идеальный плоскостной p-n-переход:

а - отдельные p- и n-полупроводники;

б - схематическое изображение идеального плоскостного p-n-перехода;

в - распределение плотности объемных зарядов;

г - распределение потенциала;

д- распределение электронов проводимости и дырок;

+, – - ионы; «+», «–» - дырки и электроны

Так как электрическое поле неподвижных зарядов p-n-перехода при термодинамическом равновесном состоянии препятствует диффузии основных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что между p- и n-областями устанавливается потенциальный барьер φ_о, распределение потенциала которого вдоль структуры p-n-перехода показано на рис. 4.1, г.

Основные носители заряда при встречной диффузии рекомбинируют в приконтактных областях p-n-перехода, что приводит к образованию в этом месте обедненного подвижными носителями заряда слоя, который обладает малой удельной проводимостью (как беспримесный или собственный полупроводник) и поэтому называется обедненным или запирающим слоем X₃ (рис.4.1,д).

4.2. Вольтамперная характеристика p-n-перехода.

Зависимость тока через p-n-переход от приложенного напряжения I=f(U) есть теоретическая вольтамперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода (рис.4.2).

Рис.4.2. Вольтамперная характеристика p-n-перехода:

^______ зависимость при нормальной температуре Т₁;

- - - - зависимость при повышенной температуре Т₂;

Т₂>Т₁.

При подаче на p-n-переход обратного напряжения ток I быстро достигает значения, равного I_o, и затем при повышении обратного напряжения остается практически постоянным. Так как неосновных носителей в областях p и n мало, то при обратном включении ток I, обусловленный только неосновными носителями, мал.

При подаче на p-n-переход прямого напряжения ток I с увеличением U возрастает по экспоненте. Так как основных носителей в областях p и n много, то при прямом включении обусловленный основными носителями ток будет большим.

Вольтамперная характеристика p-n-перехода существенно зависит от температуры перехода. При увеличении температуры растет концентрация неосновных носителей и резко возрастает обратный ток перехода I_o. В идеальных германиевых p-n-переходах при увеличении температуры на каждые 10^оС обратный ток удваивается. И хотя в кремниевых переходах зависимость еще больше, но абсолютные значения I_о у кремниевых переходов значительно меньше.

При малом прямом смещении прямой ток p-n-перехода возрастает с увеличением температуры из-за увеличения обратного тока I_о. При больших напряжениях, т.е. при больших прямых токах, основную роль играет проводимость полупроводника, которая уменьшается с увеличением температуры, поэтому прямые ветви ВАХ изменяются относительно мало.