Какие частицы создают потенциальный барьер в p n переходе

4 . Потенциальный барьер в p – n — переходе. Распределение концентрации электронов и дырок, заряда, напряженности на границе p-n перехода.

При возникновении контакта двух полупроводников (в одном из которых высока концентрация дырок (p-тип), а в другом — свободных электронов (n-тип)) вследствие теплового движения начинается диффузия основных носителей заряда из «родного» полупроводника в соседний, где концентрация таких частиц во много раз меньше. Дырки переходят из p-полупроводника в n-полупроводник, электроны — из n- в p-полупроводник.

В результате диффузии электронов из n-области в дырочную и дырок из p-области в электронную на границе между этими областями образуется двойной слой разноименных зарядов. И тогда контактная разность потенциалов, которая в случае pn-перехода выше, чем на контакте “металл-полупроводник” составляет 0,4. 0,8В.

При этом, также как и в случае контакта «металл-полупроводник», на границе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу носителей заряда. То есть, в приграничной области происходит изгиб зон таким образом, что для перехода из одного полупроводника в другой носителям требуется дополнительная энергия. В p-полупроводнике зоны изгибаются вниз, создавая потенциальный барьер для дырок, в n-полупроводнике изгибаются вверх — потенциальный барьер для электронов.

В приграничном слое возникает динамическое равновесие: рекомбинирующие носители заменяются новыми, но общее количество носителей остается постоянным.

П ри прямом смещении, когда положительный потенциал подан на p-область, дырки устремляются навстречу электронам, которые, преодолевая пониженный потенциальный барьер в области pn-перехода, попадают в p-область. При этом происходит рекомбинация электронов и дырок. Вследствие этого «чужие» носители заряда не проникают глубь полупроводников, погибая в области pn-перехода. Протекание тока при этом можно представить в виде двух потоков — электронов и дырок, которые втекают в область рекомбинации с противоположных сторон. С увеличением напряжения возрастают скорости втекающих электронов и дырок и, соответственно, скорость их рекомбинации.

5 . Электронно-дырочный переход при приложении прямого и обратного напряжения.

Приложим внешнее напряжение плюсом к p-области. Внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему полю p-n перехода, что приводит к уменьшению потенциального барьера. Основные носители зарядов легко смогут преодолевать потенциальный барьер, и поэтому через p-n переход будет протекать сравнительно большой ток, вызванный основными носителями заряда.

Такое включение p-n перехода называется прямым, и ток через p-n переход, вызванный основными носителями заряда, также называется прямым током. Считается, что при прямом включении p-n переход открыт. Если подключить внешнее напряжение минусом на p-область, а плюсом на n-область, то возникает внешнее электрическое поле, линии напряженности которого совпадают с внутренним полем p-n перехода. В результате это приведет к увеличению потенциального барьера и ширины p-n перехода. Основные носители заряда не смогут преодолеть p-n переход, и считается, что p-n переход закрыт. Оба поля – и внутреннее и внешнее – являются ускоряющими для неосновных носителей заряда, поэтому неосновные носители заряда будут проходить через p-n переход, образуя очень маленький ток, который называется обратным током. Такое включение p-n перехода также называется обратным.

p–n переход и его электрические свойства

Принцип действия полупроводниковых приборов объясняется свойствами так называемого электронно-дырочного перехода (p-n — перехода) — зоной раздела областей полупроводника с разным механизмами проводимости.

Электронно-дырочный переход — это область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n-области к дырочной p-области). Поскольку в р-области электронно-дырочного перехода концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область.

Для создания в исходном полупроводнике (обычно 4-валентном германии или кремнии) проводимости n- или p-типа в него добавляют атомы 5-валентной или 3-валентной примесей соответственно (фосфор, мышьяк или алюминий, индий и др.)

Атомы 5-валентной примеси (доноры) легко отдают один электрон в зону проводимости, создавая избыток электронов в полупроводнике, не занятых в образовании ковалентных связей; проводник приобретает проводимость n-типа. Введение же 3-валентной примеси (акцепторов) приводит к тому, что последняя, отбирая по одному электрону от атомов полупроводника для создания недостающей ковалентной связи, сообщает ему проводимость p-типа, так как образующиеся при этом дырки (вакантные энергетические уровни в валентной зоне) ведут себя в электрическом или магнитном полях как носители положительных зарядов. Дырки в полупроводнике р-типа и электроны в полупроводнике n-типа называются основными носителями в отличие от неосновных (электроны в полупроводнике р-типа и дырки в полупроводнике n-типа), которые генерируются из-за тепловых колебаний атомов кристаллической решетки.

Если полупроводники с разными типами проводимости привести в соприкосновение (контакт создается технологическим путем, но не механическим), то электроны в полупроводнике n-типа получают возможность занять свободные уровни в валентной зоне полупроводника р-типа. Произойдет рекомбинация электронов с дырками вблизи границы разнотипных полупроводников.

Этот процесс подобен диффузии свободных электронов из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа и диффузии дырок в противоположном направлении. В результате ухода основных носителей заряда на границе разнотипных полупроводников создается обедненный подвижными носителями слой, в котором в n-области будут находиться положительные ионы донорных атомов; а в p- области — отрицательные ионы акцепторных атомов. Этот обедненный подвижными носителями слой протяженностью в доли микрона и является электронно-дырочным переходом.

Потенциальный барьер в p-n переходе.

Если к полупроводнику приложить электрическое напряжение, то в зависимости от полярности этого напряжения р-n-переход проявляет совершенно различные свойства.

Свойства p-n перехода при прямом включении.

Свойства p-n перехода при обратном включении.

Итак, с определенной долей приближения можно считать, что электрический ток через р-n-переход протекает, если полярность напряжения источника питания прямая, и, напротив, тока нет, когда полярность обратная.

Однако, кроме зависимости возникшего тока от внешней энергии, например, источника питания или фотонов света, которая используется в ряде полупроводниковых приборов, существует термогенерация. При этом концентрация собственных носителей заряда резко уменьшается, следовательно, и I_ОБР тоже.Таким образом, если переход подвергнуть воздействию внешней энергии, то появляется пара свободных зарядов: электрон – дырка. Любой носитель заряда, рожденный в области объемного заряда p–n перехода, будет подхвачен электрическим полем E_ВН и выброшен: электрон – в n–область, дырка – в p– область. Возникает электрический ток, который пропорционален ширине области объемного заряда. Это вызвано тем, что чем больше E_ВН , тем шире область, где существует электрическое поле, в котором происходит рождение и разделение носителей зарядов. Как было сказано выше, скорость генерации носителей зарядов в полупроводнике зависит от концентрации и энергетического положения глубоких примесей, существующих в материале.

По этой же причине выше предельная рабочая температура полупроводника. Для германия она составляет 80º С, кремний: 150º С, арсенид галлия: 250º С (DE = 1,4 эВ). При большей температуре количество носителей заряда возрастает, сопротивление кристалла уменьшается, и полупроводник термически разрушается.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) являет­ся графической зависимостью протекающего через р-n переход тока от приложенного к нему внешнего напря­жения I=f(U). Вольт-амперная характе­ристика р-n перехода при пря­мом и обратном включе­нии приведена ниже.

Она состоит из прямой (0-А) и обратной (0-В-С) ветвей; на вертикальной оси отложены значения прямого и обратного тока, а на оси абсцисс — значения прямого и обратного напряжения.

Напряжение от внешнего источника, подведенное к кристаллу с р-п переходом, практически полностью со­средотачивается на обедненном носителями переходе. В зависимости от полярности возможны два варианта включения постоянного напряжения — прямое и обрат­ное.

При прямом включении (рис. справа — верх) внешнее элект­рическое поле направлено навстречу внутреннему и частично или полиостью ос­лабляет его, снижает высо­ту потенциального барьера (Rпр). При обратном включении (рис. справа — низ) элект­рическое поле совпадает по направлению с полем р-п перехода и приводит к росту потенциального барьера (Rобр).

ВАХ p-n перехода описывает­ся аналитической функцией:

U — приложенное к переходу внешнее напряжение соответствующего знака;

Iо = Iт — обратный (тепловой) ток р-п перехода;

— температурный потенциал, где k — постоянная Больцмана, q — элементарный заряд (при T = 300К, 0,26 В).

При прямом напряжении (U>0) — экспоненциальный член быстро возрастает [], единицей в скобках можно пренебречь и считать . При обратном напряжении (U<0) экспоненциальный член стремится к нулю, и ток через переход практически равен обратному току; Ip-n = -Io.

Пробой p–n перехода.

Пробоем называют резкое изме­нение режима работы перехода, находящегося под обрат­ным напряжением.

Характерной особенностью этого из­менения является резкое уменьшение дифференциального сопротивления перехода (Rдиф). Соответствующий участок вольт-ампер­ной характеристики изображен на рисунке справа (обратная ветвь). После начала пробоя незначительное увеличение об­ратного напряжения сопровождается резким увеличени­ем обратного тока. В процессе пробоя ток может увели­чиваться при неизменном и даже уменьшающемся (по модулю) обратном напряжении (в последнем случае дифференциальное сопротивление Rдиф оказывается отрицатель­ным).

Пробой бывает лавинный, тунельный, тепловой. И туннельный и лавинный пробой принято называть электрическим пробоем.

Возникновение потенциального барьера. Контактная разность потенциалов

Если в кристалле создать области с электронной и дырочной проводимостью (рис. 5.2) с резкой границей между ними (pn -переход), то на границе между этими областями возникнет потенциальный барьер, обладающий выпрямительными свойствами.

Предположим, что акцепторная область полупроводника легирована сильнее, чем электронная, т.е. N_a>N_d и обе части легированы равномерно (такой pn -переход называется несимметричным и ступенчатым) (рис. 5.2).

При возникновении pn -перехода между p — и n -областями устанавливается обмен свободными носителями заряда, из материала n -типа выходят (диффундируют) электроны, а из материала p -типа — дырки. Уход свободных носителей приводит к тому, что вблизи границы раздела появляется двойной заряженный слой из ионизованных атомов доноров и акцепторов. Слой объемного пространственного заряда (ОПЗ) будет положительным со стороны материала n- типа (ионизованные доноры) и отрицательным со стороны материала p- типа (ионизованные акцепторы). Эти объемные заряды в области контакта создадут сильное электрическое поле, направленное от n -области к p — области и препятствующее диффузии электронов и дырок (рис. 5.3).

В результате установится равновесное состояние, которое будет характеризоваться постоянством уровня Ферми, а в области перехода, где имеется электрическое поле, энергетические уровни будут искривлены.

Рис. 5.2

При некотором значении поля установится равновесие, при котором количество носителей зарядов переходящих навстречу друг другу одинаково. Этому электрическому полю соответствует равновесное значение контактной разности потенциалов φ_к (рис. 5.2, г).

Рис. 5.3

Перераспределение носителей, образовавшееся при контакте, и формирование потенциального барьера высотой qφ_к приводит к тому, что диффузионный поток основных носителей (n_n и p_p) прекращается. Энергетический барьер существует именно для основных носителей, потенциального барьера для неосновных носителей (n_p и p_n) нет (см. рис. 5.2,б).

Для того чтобы рассчитать распределения концентраций свободных носителей в приповерхностной области необходимо решить уравнение Пуассона (3.38), устанавливающее связь между распределением потенциала и пространственного заряда ρ (x):

Как видно из диаграмм рис 5.2, г величина контактной разности потенциалов равна: .

Потенциальный барьер на pn -переходе при термодинамическом равновесии определяется уравнением

Отсюда следует, что максимальная контактная разность потенциалов для невырожденных полупроводников . Предполагая, что вся примесь ионизована, , , а также учитывая, что , получим:

где φ_T = kT/q – тепловой потенциал равный 0,026 В при комнатной температуре.

Потенциальный барьер в pn- переходе тем выше, чем сильнее легированы p -и n -области. По мере роста температуры величина n_i 2 в (5.6) должно возрастать согласно (2.16). Выражение под знаком логарифма стремится к нулю, т.е. контактная разность потенциалов с ростом температуры уменьшается. Этот результат понятен с физической точки зрения. При высоких температурах начинает доминировать собственная проводимость как в p -, так и в n -области, при этом в каждой из областей уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны и qφ_к стремится к нулю.

Из (5.6) можно легко получить:

Тогда соотношения между основными и неосновными носителями:

.	(5.8)
.	(5.9)

Уравнения (5.8) и (5.9) можно рассматривать как граничные условия при нулевом внешнем смещении V_см = 0.

Толщина слоя ОПЗ . В интервале объемный заряд отрицательный . Уравнение Пуассона (5.3) примет вид:

В интервале объемный заряд положительный и уравнение Пуассона запишется в виде:

при , при.

(5.13)

При x=0 потенциал (рис. 5.2, е) и его производные непрерывны, поэтому ; . Получаем: . Следовательно, в обеих областях полупроводника, прилегающих к pn- переходу, объемные заряды равны. Это является условием электронейтральности.

Из (5.13) нетрудно получить следующие соотношения:

.	(5.14)
.	(5.15)

Из этой формулы следует, что чем выше степень легирования n- и p-областей полупроводника, тем меньше толщина ОПЗ. Если одна из областей легирована значительно сильнее другой, то большая часть падения потенциала приходится на высокоомную область (рис. 5.2е).

Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:

p-n переход: устройство и принцип работы

Полупроводники занимают промежуточное положение по проводимости электрического тока между диэлектриками и проводниками. Для создания полупроводниковых приборов в основном используют германий, кремний, арсенид галлия и селен.

В проводниках носителями зарядов являются электроны. В полупроводниках кроме них еще есть, так называемые, дырки. Даже при комнатной температуре некоторые электроны приобретают энергию достаточную для отрыва от атома и пускаются в свободное плавание. Они так и называются — свободные электроны.
Дырка — это свободное место в атоме потерявшее электрон. Но на дырочное место может перейти электрон из соседнего атома и электронное место уже становится «дырявым». Поэтому дырка так же будет блуждать по полупроводниковому кристаллу.

Если при воздействии на кристалл электрического поля свободные электроны являются элементами проводимости и создают в полупроводнике ток, тогда он называется полупроводник с электронной проводимостью, или проводимостью n-типа.

Электропроводность полупроводникового кристалла, получаемая за счет направленного движения дырок, — это дырочная проводимость, или проводимость р-типа.

Работа полупроводниковых приборов основывается на процессах, происходящих при соединении полупроводников разной проводимости.
Для их изготовления вводят в чистый полупроводник примеси, которые делают его с электронной или дырочной проводимостью. Границу между обогащенными примесями областями кристалла р и n типа называют p-n переходом .

В следствии диффузии некоторые дырки из области р-типа будут переходить в область n-типа, а свободные электроны в область р-типа (рис.a) .
В тонком слое p-n перехода электроны и дырки рекомбинируют, т.е. произойдет взаимная компенсация зарядов, и поэтому слой имеет мало свободных носителей заряда. Его называют обедненным слоем p-n перехода, который является запирающим слоем для основных носителей зарядов.

Слой p-n перехода похож на конденсатор у которого заряженные пластины — это заряженные границы перехода , а диэлектрик — обедненный слой.
В полупроводнике из германия напряжение на p-n переходе Uпер. достигает 0,25-0,3 вольта, а из кремния — 0,4-0,5 вольт. Между границами p-n перехода возникает электрическое поле Епер. , которое называется потенциальным барьером p-n перехода. ( рис.а ).

Если подать обратное напряжение, Uобр. созданное источником напряжения, на полупроводниковые контакты, как показано на рис.b , тогда внешнее поле Евн. ,созданное источником напряжения, будет направлено в том же направлении как и поле p-n перехода Епер. которое заставит основным и не основным носителям заряда устремятся к контактам с противоположным потенциалом. Это приведет к тому, что концентрация зарядов у контактов увеличится, а у p-n перехода уменьшится. За счет этого потенциальный барьер займет освободившееся место обедненное зарядами и расширится, что приведет к еще большей блокировке носителей зарядов.
Однако, даже при таких условиях через барьер p-n перехода будет протекать незначительный обратный ток Iобр. , созданный неосновными носителями.

При подаче прямого напряжения Uпр.(рис.C) внешнее поле Евн. направлено противоположно полю p-n перехода Епер.
Электроны и дырки, получив дополнительную энергию, начинают целенаправленно двигаться к p-n переходу, компенсируя заряды на нем. А это значит, что напряжение на переходе начнет уменьшаться и запирающий слой будет сужаться.
При разности Uпр. — Uпер. = 0 p-n переход открывается и в полупроводнике начинает течь прямой ток Iпр.

Следовательно, p-n переход обладает выпрямительным, или вентильным, свойством, который и используется в полупроводниковых приборах.