Понятие об электронно-дырочном переходе.

Полупроводниковыми называют приборы, изготовленные из полупровод­никовых материалов. Все физические процессы переноса электрических зарядов в этих приборах происходят внутри твердого тела. По сравнению с электронными лампами у полупроводниковых приборов имеются существенные достоинства: -малый вес и малые размеры;

- отсутствие затрат энергии на накал;

- более высокая надежность в работе и больший срок службы (до десят­ков тысяч часов);

- большая механическая прочность (стойкость к тряске, ударам и другим видам механических перегрузок);

-различные устройства (выпрямители, усилители, генераторы) с полу­проводниковыми приборами имеют высокий КПД, так как потери энергии в самих приборах незначительны;

- маломощные устройства с транзисторами могут работать при очень низких питающих напряжениях (5 В, 9 В).

Однако полупроводниковые приборы обладают и недостатками:

- параметры и характеристики приборов одного типа имеют значитель­ный разброс;

- параметры приборов сильно зависят от температуры;

- наблюдается изменение свойств приборов с течением времени (старение):

- собственные шумы в ряде случаев больше, чем у электровакуумных приборов;

- входное сопротивление транзисторов значительно меньше, чем у ламп;

- транзисторы пока еще не изготовляются для таких больших мощностей, как лампы (сотни ватт и больше);

- работа большинства полупроводниковых приборов резко ухудшается под действием радиоактивного излучения;

- воздействие статического электричества может вывести из строя полу­проводниковые приборы.

Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удель­ной электрической проводимости занимают среднее место между проводниками и диэлектриками.

Для полупроводников характерна значительная зависимость электропро­водности от температуры. При возрастании температуры сопротивление полу­проводников уменьшается, а не увеличивается, как у большинства твердых проводников.

При повышении температуры электропроводность полупроводника воз­растает, так как электроны валентной зоны получают дополнительную энергию, и за счет этого все большее их количество, преодолевая запрещенную зону, переходит в зону проводимости. Таким образом, появляются электроны проводимости, т. е. электронная проводимость. Но каждый электрон оставляет в валентной зоне свободное место - дырку, т. е. в валентной зоне возникают дырки проводи­мости, или создается дырочная электропроводность.

Полупроводник без примесей называют собственным полупроводником, а его проводимость собственной. Собственная проводимость полупроводников очень мала.

Для создания полупроводниковых приборов применяют не собственные, а примесные проводники, т. е. проводники, в кристаллическую решетку. которых внедрены атомы примеси.

При введении в собственный полупроводник пятивалентной примеси (например мышьяк, фосфор, сурьма) в нем образуется избыточная концентрация элек­тронов. Такую проводимость называют электронной или n-типа, а примесь назы­вают донорной.

Таким образом в полупроводнике создается избыточная концентрация электронов, называемых основными носителями заряда. Дырки, которых значи­тельно меньше, называют неосновными носителями заряда.

При введении в собственный полупроводник трехвалентной примеси (например, бор, алюминий, индий) в нем образуется избыточная концентрация ды­рок. Такую концентрацию называют дырочной или р-типа, а примесь называют акцепторной.

Электрический переход между областями полупроводника, одна из кото­рых имеет электропроводность р-типа, а другая - n-типа, называют элек­тронно-дырочным или р-n-переходом.

Существует несколько технологий получения р-n-переходов (рисунок1), среди которых наиболее распространена планарная (рисунок 1, в), осуществляемая в такой последовательности:

1 окисление термическим способом (пленка Si0₂ около 1 мм). Si0₂ является хорошим диэлектриком;

2 методом фотолитографии удаляют определенные участки в слое Si0₂;

3 напыление акцепторной примеси, атомы которой, диффундируя в n-слой, образуют р-область.

Между n- и p областями образуется p-n- переход. По закону диффузии электроны из n-области будут перемещаться в р-область, а дырки наоборот. Встречаясь на границе p-n- областей, дырки и электроны рекомбинируют. Следовательно, образуется область, обедненная свободными носителями заряда, где остаются нескомпенсированные заряды неподвижных ионов, между которыми возникает электрическое поле. При этом между р- и n-областями появляется разность потенциалов, представляющая собой потенциальный барьер для основных носителей заряда и ограничивающая их встречную диффузию.

Высота потенциального барьера равна разности потенциалов дырок и элек­тронов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примеси, тем больше основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу, тем больше объемных зарядов и тем больше контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциаль­ного барьера. Одновременно с диффузи­онным перемещением основных носителей через границу происходит и об­ратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потен­циалов. При отсутствии внеш­него напряжения р-n-переход на­ходится в состоянии динамиче­ского равновесия. Каждое мгновение через р-n-переход в противоположных направлениях диффундирует определенное ко­личество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.

Если к р-n-переходу подключить внешний источник напряжения, то нару­шится условие равновесия. При этом изменится высота потенциального барьера и ширина р-n-перехода.

При прямом включении р-n-перехода внешний источник напряжения со­единяют положительным полюсом с выводом от p-области, а отрицательным - с выводом от n-области.

При этом уменьшается потенциальный барьер и запирающий слой.

U_к.пр=U_к-U_пр (1)

где U_к.пр - потенциальный барьер при прямом включении, U_к - контактная разность потенциала,U_пр - прямое напряжение

В переход с двух сторон начинают поступать электроны и дырки, вследст­вие чего сопротивление запирающего слоя уменьшается, и через p-n-переход протекает прямой ток

При p-n-переходе в обратном направлении полярность внеш­него источника изменяют на противоположную. При этом ширина за­пирающего слоя увеличивается, потенциальный барьер повышается диффузия основных носителей через переход невозможна. Однако неосновные носители под действием суммарного поля проходят через переход и создают обратный ток. Значение этого тока намного меньше прямого, так как неосновных носителей намного меньше, чем основных.

Обедненный носителями заряда запирающий слой p-n-перехода подобен заряженному конденсатору, обладающему определенной емкостью, которую на­зывают барьерной. Величина этой емкости зависит от толщины p-n-перехода (d) и его площади. По мере увеличения обратного напряжения расстояние d воз­растает, и барьерная емкость уменьшается.