И.П. Жеребцов - Основы электроники (1115520), страница 10

Просмтор этого файла доступен только зарегистрированным пользователям. Но у нас супер быстрая регистрация: достаточно только электронной почты!

Текст из файла (страница 10)

ГЛАВА ВТОРАЯ ЭЛЕКТРОННО-ДЫР ОЧНЫЕ И МЕТАЛЛОПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПЕРЕХОДЫ 2.1. ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫИ ПЕРЕХОД ПРИ ОТСУТСТВИИ ВНЕШНЕГО НАПРЯЖЕНИЯ Область на границе двух полупроводников с различными типами электрспроводностц называется электронно-дь!- рочньыл или п — р-переходоле Электроннодырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких и — р-переходов.

Рассмотрим более подробно физические процессы в таком переходе. Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рис. '2.1). Так как 0) сиз !0!в !0Я !О' !0и /0'в 1!в Рдв Рнс. 2.!. Электронно-дырочный переход прн отсутствии внешнего напряжения носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии, например в газах и жидкостях, носители перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, нз полупроводника и-типа в полупроводник ртипа диффундируют электроны, а в обратном направлении нз полупроводника р-типа в полупроводник и-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 н отрицательно. В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков.

В области и 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 контактнал разность потенциалов и, = = цз„ вЂ” <р и электрическое поле (вектор напряженности Е,). На рис. 2.!,б изображена потенциальная диаграмма п †рперехода для рассматриваемого случая, когда внешнее напряжение к переходу не приложено. На этой диаграмме, 3! показывающей распределение потенциала вдоль оси х, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя.

Конечно, можно было бы за нулевой принять потенциал области л или р. На рис. 2.1 и последующих рисунках для наглядности искажен масштаб. На самом деле толщина л — р-перехода очень мала по сравнению с размерами областей л и р. Следует отметить, что объемные заряды разных знаков возникают вблизи границы л- и р-областей, а положительный потенциал д„или отрицательный потенциал д„создается одинаковым по всей области и или р.

Если бы в различных частях области п или р потенциал был различным, т. е. была бы разность потенциалов, то возник бы ток, в результате которого все равно произошло бы выравнивание потенциала в данной области. Нужно помнить, что заряд и потенциал имеют разный физический смысл. Там, где есть электрический потенциал, не обязательно должен быть заряд. Как видно, в л — р-переходе возникает погненяиахьньа барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.

На рис. 2.1,б изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области л 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 и). 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„т, е, высота потенциального барьера, При этом толШина и — р-перехода И уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины, Для германия, например, 32 при средней концентрации примесей и, = 0,3 —: 0,4 В и Н = 10 —: !0 з см, а при больших концентрациях, создаваемых в некоторых приборах, и„ж 0,7 В и Д=10 ~ 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 и- область. На рис. 2Л, а такое перемещение неосновных носителей (дрейф) показано также стрелками.

При постоянной температуре л-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. Нетрудно представить себе механическую аналогию этого процесса, если считать, что диаграмма на рис.

2.!,б изображает горку, на которую вкатываются шарики (электроны) с различной начальной скоростью. За счет начальных скоростей шарики будут подниматься на ту или иную высоту, останавливаться и скатываться обратно под действием поля тяготения. Эта аналогия пригодна также и для дырок. Как мы знаем, перемещение носителей за счет диффузии — это диффузионный ток (1„„4), а движение носителей под действием поля — ток дрейфа (),р).

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 1„„4 и з„р имеет электронную и дырочную составляющие. Значения этих составляющих различны, так как зависят от концентрации и подвижности носителей. Въюота потенциального барьера всегда устанавливается именно такой, чтобы наступило равновесие, т. е, диффузионный ток н ток дрейфа компенсируют друг друга.

Действительно, пусть по какой-то причине, например от повышения температуры, диффузия усилилась. Ток диффузии возрастает, через переход будет днффундировать больше носителей. Это вызовет увеличение объемных зарядов и потенциала по обе стороны границы. Значение и„ возрастет, т.

е. усилится электрическое поле в переходе и повысится потенциальный барьер. Но усиление поля вызовет соответствующее увеличение тока дрейфа, т. е. обратного перемещения носителей. Пока )н„р > 1 высота барьера растет, но в конце концов за счет увеличения рнр наступит равенство 1 „е = 1, и дальнейшее повышение их прекратится. 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 онн отложены в логарифмическом масштабе.

Концентрации примесей в областях и и р обычно бывают различными. Именно такой случай показан на рис. 2.1,в. В полупроводнике и-типа концентрации основных и неосновных носителей взяты соответственно и„ = 10' и р„ = 10 см а в полупроводнике р-типа концентрация примесей меньше, и поэтому р = 10св и и = 10'о смйз р Р Как видно, в и' — р-переходе концентрация электронов плавно меняется от 10' до 1О'с см з, а концентрация дырок — от 10'в до 10Я см '. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей (так называемый обедненный носителями слой). Например, на самой границе концентрация электронов составляет 10х~ см з, т.

е. она в 10000 раз меньше, чем в области и, а концентрация дырок равна 10'Я см з, и она тоже в 10000 раз меньше, чем в области р. Соответственно и удельная электрическая проводимость и — р-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей п и р. Можно также рассматривать слой, обедненный подвижными носителями, как результат действия электрического поля контактной разности потенциалов. Это 2 и, п. Жарабнав поле «выталкивает» из пограничных слоев подвижные носители: электроны перемещаются в область и, а дырки— в область р. Таким образом в и — р-переходе возникает слой, называемый запираюп(им и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов п- и р-полупроводников.

2.2. ЭЛЕКТРОННОДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД ПРИ ПРЯМОМ НАПРЯЖЕНИИ Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к полупроводнику р-тнпа (рис. 2.2, а). Такое напряжение, у которого полярность совпадает с полярностью основных носителей, называется прямыла. Действие прямого напряжения п„р, вызывающее прямой ток (н, через переход, поясняется потенциальной диаграммой на рис. 2.2,б. (На этом и следующих рисунках потенциальная диаграмма изображена упрощенно. Для рассмотрения и-р-перехода процессы в остальных частях цепи не представляют интереса.

Характеристики

Список файлов книги