Винтайкин Б.Е. Физика твердого тела (2-е издание, 2008) (1135799), страница 36

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

Текст из файла (страница 36)

Если направление внешнего электрического поля противоположно направлению вектоРа Е„, (см. Рис. 4.25, б), то электРо- Рис. 4.26. Схематическая ны из проводника и дырки из полупро- вольтамперная характеводника будут двигаться навстречу друг ристика контакта провод- другу, область контакта будет обога- ник — полупроводник щаться носителями тока. Вследствие этого ее удельное электрическое сопротивление окажется очень малым. Ясно, что в рассмотренном случае контакт проводник — полупроводник проводит ток в одну сторону хорошо, а в другую — плохо, при этом говорят о его односторонней проводимости (рис. 4.26).

Контакт двух полупроводников. Рассмотрим контакт двух полупроводников. На рис. 4.27 приведены схемы уровней энергии в таких полупроводниках до контакта и после контакта. При контакте областей уровни Ферми обоих полупроводников должны сравняться, что осуществляется за счет перехода электронов из области ) в область 2. В результате появится избыточный положительный заряд в области! и отрицательный заряд — в области 2, а следовательно, и электрическое поле на границе раздела областей и контактная разность потенциалов. 1(л) 2(р) я=о Зона водимо рещенн зона алентн зона Рис. 4.27.

Схема уровней энергии в двух полупроводниках до контакта (а) и после контакта (б) х* 227 За счет малой концентрации электронов и дырок в области контакта полупроводников толщина переходного слоя будет равна примерно !0 м, она значительно превысит межатомное расстояние и длину свободного пробега электронов и дырок. Следовательно, обеднение переходного слоя носителями не восполняется в полной мере их проникновением из областей 1 и 2.

Наибольшее практическое значение имеет контакт двух идентичных полупроводников п- и р-типа, например кремния, легированного донорными и акцепторными примесями соответственно. Все рассмотренные выше контактные явления нагляднее анализировать с помощью понятий «электроны и дырки», «основные и неосновные носители». Полупроводниковым р-п-переходом называют тонкий слой, образующийся в месте контакта двух областей полупроводников акцепторного и донорного типов (рис. 4.28). Такой контакт чаще всего возникает при легировании кристалла полупроводника соответственно акцепторными и донорными примесями по разные стороны от р-п-перехода.

Обе области полупроводника, изображенные на рисунке, электрически нейтральны, поскольку как сам материал полупроводника, так и примеси электрически нейтральны. Эти области и различаются тем, что левая из них содержит свободно перемещающиеся дырки, а правая — свободно перемещающиеся электроны. В результате теплового хаотического движения одна из дырок левой области р-типа может попасть в правую область п-типа, где быстро рекомбинирует с одним из электронов. В результате этого в правой области появится избыточный положительный заряд, а в левой области — избыточный отрицательный заряд (см.

рис. 4.28). Аналогично в результате теплового движения один из электронов из левой области может попасть в правую, где быстро рекомбинирует с одной из дырок. Таким образом, в правой области также появится избыточный положительный заряд, а в левой области— избыточный отрицательный заряд. Наличие этих зарядов приведет к появлению электрического поля (Е„,„,) на границе раздела областей полупроводника. Это поле будет отталкивать дырки р-области влево от границы раздела полупроводников, а электроны п-области — вправо от границы. Потенциальная энергия дырки и электрона в областях связана с электрическим полем (Е„,„,) (см. рис.

4.28). Значит, дырка для 228 тоси ~(с )+~(А ) ~ысасн=~ссы с'бяы Рис. 4.28. Схема распределения зарядов в области д-н-перехода: о — дырки; ° — электроны перехода из Р-области в л-область должна заскочить на потенциальный порог высотой И'. На аналогичный порог должен перескочить электрон для перехода из и-области в р-область. Вероятность такого прохода пропорциональна множителю Больцмана: (4.65) Р=Р ехр— Рассмотренные переходы основных носителей сформируют ток основных носителей через р — и-переход: (4.66) 1„„= 1о ехр— 229 В состоянии равновесия этот ток будет компенсироваться током неосиовных носителей, формируемым неосновными носителями — дырками л-области и электронами р-области.

Однако этих носителей очень мало и ток неосновных носителей весьма мал, поскольку он лимитируется именно их числом, несмотря на то что воздействие электрического поля (Е„,„,) способствует его увеличению (см. рис. 4.28). Поэтому можно считать ток неосновных носителей малой почти постоянной величиной, уравновешивающей ток основных носителей: 1 „=1 ехр — =1аехр — — ехр — . (4.67) Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. Общий ток, протекающий через р — п-переход, равен сумме токов основных и неосновных носителей: 1 =1„„— 1„,„=1аехр — — ехр — — 1 =1„„„ехр — — ! .

(4.68) На рис. 4.30 изображены зависимости тока основных и неосновных носителей при повышении внешнего напряжения, а также построен участок вольтамперной характеристики при У> О. Если к р — и-переходу приложить внешнюю разность потенциалов, как это показано на рис. 4.29, б (так называемое обратное включение р — л-перехода), то внешнее электрическое поле усилит существующее на границе электрическое поле, и высота порогов увеличится. Ток основных носителей уменьшится в соответствии с 230 Если к р-енпереходу приложить внешнюю разность потенциалов У (см. рис.

4.29, а), т.е. использовать так называемое прямое включение р-п-перехода, то внешнее электрическое поле ослабит существующее в кристалле поле, при этом и высота порогов уменьшится на величину, равную Уе. Тогда ток основных носителей возрастет в соответствии с формулой 2оон=е(е-)+г(Ь ) Гн се=2(„)ЧМ ) Π— 2осн=с(е )(1(й ) 1неосн=1(е-)'%Ь-) б Рис. 429. Схема потенциальных порогов вблизи р-л-перехода при прямом (а) и обратном (б) включении внешнего напряжения 231 Рис. 4.30. Зависимости 1(У) 1„НЩ !неоан((Г) формулой (4.66).

Ток неосновных носителей при этом практически не изменится, так как он лимитируется малым числом неосновных носителей. Общий ток, протекающий через р — л-переход, будет описываться соотношением (4.68). Ясно, что при больших отрицательных значениях У он стремится к насыщению, 1„„= 1„„,„(см. рис. 4.30). Пробой р-и-перехода. Если продолжать увеличивать напряжение обратной полярности, то при некотором напряжении У,, называемом напряжением пробоя, произойдет пробой р — п-перехода. Это связано с тем, что в закрытом состоянии р — л-перехода приложенное напряжение действует в тонком пограничном слое.

Поэтому в нем сформируется большая напряженность внешнего электрического поля, способная ускорить электрон на малом расстоянии до энергий, достаточных для выбивания электрона из ковалентной связи; далее уже оба электрона будут ускорены, они выбьют еще электроны и так далее. Получится подобие электронной лавины, приводящей к пробою перехода.

Пробою соответствует участок вблизи значения У,, на вольтамперной характеристике (см. рис. 4.30). При )Ц с(У,,! вольтамперная характеристика имеет участок плавного нарастания тока, что позволяет использовать явление пробоя, вернее, предпробойное состояние для стабилизации напряжения. Вольтамперная характеристика р — л-перехода нелинейная, а главное — несимметричная: в одну сторону р-л-переход проводит ток очень хорошо, а в другую — очень плохо. Можно просто и 232 Рве. 4.31. Схема движения электронов и дырок при прямом (а) и обратном (6) включении р — в-перехода наглядно объяснить такие сильные различия проводимости р-и-перехода в разных направлениях.

При включении р — и-перехода в прямом направлении (см. рис. 4.31, а) дырки в левой области будут двигаться к границе раздела, и электроны в правой области также будут двигаться к границе раздела. На границе раздела областей они будут рекомбинировать. Ток на всех участках цепи обеспечивается основными носителями, р — и-оереход обогащен носителями тока. Проводимость р — и-перехода будет большой. При включении р-и-перехода в обратном направлении (см. рис.

431, б) дырки в левой области будут двигаться от границы раздела и электроны в правой области также будут двигаться от границы раздела. На границе раздела областей таким образом почти не останется основных носителей тока. Ток на ней будет обеспечиваться очень малым числом неосновных носителей, образовавшихся вблизи тонкого слоя р-и-перехода. Поэтому проводимость р — и-перехода будет малой. В итоге вольтамперная характеристика будет асимметричной (см.

Характеристики

Список файлов книги