Электронно-дырочным переходом, или p-n переходом, называют переходный слой между областями полупроводника с различным типом электропроводности. При идеальном контакте полупроводников с различным типом электропроводности происходит процесс диффузии электронов из n-области в р-область и дырок из р-области в n-область. Причиной этого является наличие градиента концентрации носителей заряда: концентрация электронов в полупроводнике n-типа во много раз превышает концентрацию электронов в дырочном полупроводнике, где они являются неосновными. То же самое можно сказать и для дырок. В результате этого в контактном слое между полупроводниками с различным типом электропроводности возникает область с низкой концентрацией свободных носителей заряда. Объемные заряды ионизированных доноров и акцепторов образуют двойной электрический (запирающий) слой (рис. 4.17). Электрическое поле, образованное нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей и направленное от n-области к р-области, называется диффузионным электрическим полем. Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через контакт— устанавливается равновесие, при котором ток через переход равен нулю, а падение напряжения на границах р и n-областей, называемое потенциальным барьером, принимает определенное значение. Разность потенциалов, соответствующая данному состоянию, называется контактной и, как показывает теория, определяется следующим соотношением:
φk=kT/E*ln(np/ni2)
Рис. 4.17
Если к р—n структуре приложить электрическое напряжение от внешнего источника питания U, то равновесие нарушается и через р—n переход начинает проходить ток. Когда на р-область подан плюс (прямое смещение (U>0), потенциальный барьер запирающего слоя уменьшается (рис. 4.17). Часть основных носителей, обладающих наибольшими значениями энергии, преодолевает понизившийся потенциальный барьер. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через р—n-переход. Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными. Таким образом, через р—n-переход происходит инжекция неосновных носителей заряда в область, премыкающую к р—n-переходу,. Область, в.которую происходит инжекция неосновных носителей, называют базой полупроводникового прибора.
|
Если включить внешний источник таким образом, что р-область окажется соединенной с отрицательным полюсом, а n-область — с положительным (обратное смещение U<0), то потенциальный барьер повышается. Поток электронов из n-области и дырок из р-области через р—n-переход уменьшается практически до нуля, тогда, как потоки неосновных носителей остаются постоянными. Так как концентрация неосновных носителей заряда во много раз меньше, чем основных, то ток через р—n-переход (обратный ток) будет мал. Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода имеет вид
Графическое изображение вольт-амперной характеристики показано на рисунке 4.18.
Как видно из рисунка, вольт-амперная характеристика перехода нелинейна, причем прямой ток значительно больше обратного. В цепи с переменным электрическим полем р—n-переход пропускает ток только в течение одного полупериода, т. е. обладает выпрямляющим эффектом.
|
Свойства р—n-перехода положены в основу работы большого числа полупроводниковых приборов: различных типов диодов, транзисторов, тиристоров и т.д. Полупроводниковый диод—это полупроводниковый прибор с одним выпрямляющим электрическим переходом и двумя внешними выводами, в котором используется то или иное свойство электронно-дырочного перехода. Например, увеличение обратного напряжения на электронно-дырочном переходе приводит к тому, что носители заряда на длине свободного пробега в области запирающего слоя накапливают энергию, достаточную для ионизации атомов, входящих в состав кристаллической решетки. Наступает пробой, ток через переход резко возрастает (рис. 4.18).
Рис.4.18 Рис.4.19
При изменении приложенного к переходу напряжения меняется величина объемного заряда, а следовательно, ширина перехода. Такая система может быть использована в качестве полупроводникового конденсатора переменной емкости. Управление емкостью осуществляется путем изменения напряжения смещения.
Транзистор представляет собой полупроводниковый прибор, состоящий из трех областей с чередующимися типами электропроводности, пригодный для усиления мощности. От трех областей сделаны три вывода, получившие название «вход» (эмиттер), «выход» (коллектор) и «общий электрод» (база). Существует несколько видов транзисторов, например, плосткостные типа n—р—n и р—n—р-структуры. Принципиальная схема транзистора приведена на рис. 4.19. В коллекторной цепи с нагрузочным сопротивлением Rн напряжение приложено в обратном направлении. По цепи проходит очень малый ток, вызванный переходом дырок из базы в коллектор. Концентрация дырок в базе очень мала.
|
Если подать небольшое постоянное напряжение в эмиттерную цепь в проводящем направлении, то из эмиттера в базу будут переходить дырки. Если база достаточно тонкая, дырки будут диффундировать без рекомбинации и под действием электрического поля коллектора переходить через коллекторный n— р-переход. Таким образом, осуществляется управление током в цепи коллектора за счет изменения тока в эмиттерной цепи. Коэффициент передачи тока эмиттера равен
αI=dIk/dIэ/Uк=const
Для плоскостных триодов αI = 1.
Рассмотренная выше система двух переходов дает возможность получить усиление по мощности. Действительно, падение напряжения на коллекторном переходе, включенном в обратном направлении, и на нагрузке Rн значительно больше, чем на сопротивлении эмиттерной цепи в эмиттерном переходе, включенном в прямом направлении. Отсюда коэффициент передачи по мощности
определяемый отношением сопротивлений цепей, может доставлять величину порядка несколько сотен.