Полупроводниковые приборы с двухслойной структурой.

При контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности возникает диффузия носителей заряда в области с противоположным типом электропроводности. В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к контакту частей полупроводника. В p-области вблизи контакта после диффузии из нее дырок остаются не скомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области — не скомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область объемного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между не скомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным (внутренним) электрическим полем (рис. а). Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт (возникает потенциальный барьер) — устанавливается равновесное состояние. Между п- и р-об ластями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области.

Таким образом, электронно-дырочный переход (p-n-переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле. Переходный слой не превышает нескольких микрон и зависит от материала проводника.

Рис. Пространственное рас­пределение зарядов (а, б, в) и энергетические диаграммы электронно-дырочного перехода (г, д, е): а, г— внешнее напряжение отсутствует (U = 0); б, д— внешнее напряжение прямое (U > 0); в, е — внешнее напряжение обратное (U < 0)

Токи через электронно-дырочный переход.

При нарушении равновесия внешним электрическим полем через p-n-переход начинает проходить ток. Если внешнее напряжение приложено так, что создаваемая им напряженность электрического поля противоположна по направлению диффузионной напряженности (рис. б), то суммарная напряженность поля в p-n-переходе падает, высота потенциального барьера уменьшается (рис. д). Часть основных носителей, имеющих наибольшие значения энергии, может теперь преодолевать понизившийся потенциальный барьер, переходя через p-n-переход. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через p-n-переход. Напряжение рассмотренной полярности называют прямым и считают положительным.

Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными. Таким образом, через р-n-переход происходит инжекция неосновных носителей заряда в область, примыкающую к р-n-переходу. Ту область, в которую происходит инжекция неосновных носителей, называют базой полупроводникового прибора.

С увеличением внешнего прямого напряжения уменьшается суммарная напряженность электрического поля в р-n-переходе. С уменьшением напряженности электрического поля уменьшается глубина проникновения этого поля в области полупроводника, прилегающие к контакту. Поэтому уменьшается толщина р-п-перехода или ширина области объемного заряда.

Если созданное внешним источником электрическое поле в р-п- переходе совпадает по направлению с диффузионным (рис. в), то высота потенциального барьера для основных носителей увеличивается (рис. е). Однако для неосновных носителей, т. е. для дырок в n-области и для электронов в р-области, потенциальный барьер в р-n-переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда будут втягиваться электрическим полем в р-n-переход и проходить через него в соседнюю область — будет происходить так называемая экстракция. При этом через р-n-переход будет идти обратный ток, который относительно мал из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к р-n-переходу областях.

Напряжение, имеющее рассмотренную полярность, называют обратным и считают отрицательным. Толщина р-n-перехода с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению увеличивается, так как при этом увеличивается суммарная напря­женность электрического поля в р-п-переходе и увеличивается глуби­на проникновения этого поля в прилегающие к контакту области.

ВАХ p-n перехода.

При прямом включении внутреннее сопротивление очень мало. При обратном - приближается к бесконечности.

Полупроводниковые приборы с двухслойной структурой.

К ним относятся: диоды, стабилитроны, полевые транзисторы.

Диод это полупроводниковый (п/п) прибор с одним p-n переходом и двумя выводами, в котором используются свойства перехода (пропускать ток в одном направлении и не пропускать в другом).

Наиболее широко распространенные п/п диоды изготавливаются либо из кремния (Si), либо из германия (Ge). Диод хорошо проводит ток в прямом направлении и очень плохо - в обратном: I_пр >> I_обр. Прямой ток значительно (в тысячи раз) больше обратного. Для оценки выпрямляющей способности диода применяют коэффициент выпрямления: К_в= I_пр /I_обр.

К_в для Ge 10⁶ -10⁸ К_в для Si 10⁹ - 10¹⁵

При протекании прямого тока на диоде возникает прямое напряжение, обычно меньше 1 В. У герма­ниевого диода оно меньше, чем у кремниевого при тех же значениях тока.

Обратносмещенный диод тока почти не проводит, пока его обратное напряжение не превысит допустимое пороговое значение. У германиевого диода обратный ток примерно на порядок больше, чем у кремниевого.

Германиевые диоды применяют в основном для детектирования (выпрямления) слабых сигналов. Во всех остальных случаях - в выпрямителях, преобразователях и т.п. чаще применяют кремниевые диоды.

Кремниевый диод может работать до Т= 150 ^оС, а германиевый - до 85 ^оС. В.