p-n-переход

Принцип работы полупроводниковых приборов основан на процессах, происходящих в контакте двух областей полупроводника, имеющих различный тип проводимости. Этот контакт между областями p и n типа называется электронно-дырочным переходом или сокращенно p-n-переходом.

В p-области основными носителями являются дырки и их концентрация значительно больше, чем в n-области. Поэтому дырки стремятся диффундировать из p-области в n-область. Аналогично в связи с повышенной концентрацией электронов в n-области они диффундируют в p-область. В пограничном районе толщиной в доли микрометра происходит рекомбинация электронов с дырками, в результате которой концентрация основных носителей в этом слое резко уменьшится. Уменьшение концентрации дырок в пограничном слое p-области приводит к образованию в нем отрицательного пространственного заряда, уменьшение концентрации электронов в пограничном слое n-области приводит к образованию в нем положительного пространственного заряда. Область образовавшихся пространственных зарядов и является областью p-n-перехода. В связи с тем, что в области перехода концентрация основных носителей значительно уменьшена, ее часто называют обедненным, или запорным, слоем.

Положительный и отрицательный пространственные заряды в зоне перехода создают электрическое поле, направленное от n-области к p-области и препятствующее дальнейшей диффузии основных носителей. Однако это же поле вызывает движение неосновных носителей: электронов из p-области в n-область и дырок из n-области в р-область. Ток через p-n-переход основных носителей называется током диффузии, а ток неосновных носителей — током дрейфа. Направление тока дрейфа противоположно направлению тока диффузии. В состоянии равновесия, когда внешнее электрическое поле отсутствует, а температура полупроводника не изменяется, токи дрейфа и диффузии равны и общий ток через переход равен нулю.

Пространственные заряды в зоне перехода образуют потенциальный барьер порядка 0,3...0,4 В в германиевых полупроводниках и 0,7...0,8 В в кремниевых. Если приложить к p-n-переходу внешнее напряжение минусом к p-области, а плюсом к n-области, обедненная область расширится, а высота потенциального барьера увеличится. Такое включение перехода называется обратным. Ток диффузии при внешнем обратном напряжении резко уменьшается, так как уменьшается количество основных носителей, способных благодаря своей энергии преодолеть увеличившийся потенциальный барьер.

При увеличении обратного напряжения сила обратного тока через переход приближается к постоянному значению, которое называется тепловым током. Это связано с тем, что сначала по мере увеличения обратного напряжения ток основных носителей (ток диффузии) постепенно уменьшается до нуля, а затем ток через переход определяется лишь током неосновных носителей (током дрейфа), который от напряжения не зависит. Если к р-области приложен положительный потенциал внешней ЭДС, а к n-области отрицательный, внешнее поле оказывается противоположно внутреннему. При этом обедненная зона сужается и потенциальный барьер уменьшается. Такое включение перехода называется прямым. С ростом прямого напряжения значительно возрастает количество основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. В результате прямой ток резко увеличивается по экспоненте.

На рис. 1 показана вольт-амперная характеристика перехода, которая имеет резко выраженную нелинейность: при равных напряжениях разной полярности токи через переход отличаются в десятки и сотни тысяч раз. Это позволяет использовать p-n-переход для выпрямления переменного тока, а также проверять исправность перехода с помощью омметра путем измерения прямого и обратного сопротивлений. При достаточно большом обратном напряжении обратный ток перехода резко возрастает из-за возникновения пробоя. Различают три основных вида пробоя перехода: лавинный, туннельный и тепловой. При лавинном пробое носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решетки. При туннельном пробое электроны из валентной зоны вырываются под воздействием высокой напряженности внешнего поля и переходят в зону проводимости. При тепловом пробое происходит разогрев полупроводника до такой температуры, при которой разрываются валентные связи за счет теплового возбуждения.