Подавляющее большинство современных полупроводниковых приборов функционируют благодаря тем явлениям, которые происходят на самих границах материалов, имеющих различные типы электропроводности.

Полупроводники бывают двух типов – n и p . Отличительной особенностью полупроводниковых материалов n -типа является то, в них в качестве носителей электрического заряда выступают отрицательно заряженные электроны . В полупроводниковых материалах p -типа эту же роль играют так называемые дырки , которые заряжены положительно. Они появляются после того, как от атома отрывается электрон , и именно поэтому и образуются положительный заряд.

Для изготовления полупроводниковых материалов n -типа и p -типа используются монокристаллы кремния. Их отличительной особенностью является чрезвычайно высокая степень химической чистоты. Существенно изменить электрофизические свойства этого материала можно, внося в него совсем незначительные, на первый взгляд, примеси.

Символ « n », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «negative » («отрицательный »). Главными носителями заряда в полупроводниковых материалах n -типа являются электроны . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые донорные примеси: мышьяк, сурьму, фосфор.

Символ « p », используемый при обозначении полупроводников, происходит от слова «positive » («положительный »). Главными носителями заряда в них являются дырки . Для того чтобы их получить, в кремний вводятся так называемые акцепторные примеси: бор, алюминий.

Число свободных электронов и число дырок в чистом кристалле полупроводника совершенно одинаково. Поэтому когда полупроводниковый прибор находится в равновесном состоянии, то электрически нейтральной является каждая из его областей.

Возьмем за исходное то, что n -область тесно соединена с p -областью. В таких случаях между ними образуется переходная зона, то есть некое пространство, которое обеднено зарядами. Его ёщё называют «запирающим слоем », где дырки и электроны , подвергаются рекомбинации. Таким образом, в месте соединения двух полупроводников, которые имеют различные типы проводимости, образуется зона, называемая p-n переходом .

В месте контакта полупроводников различных типов дырки из области p -типа частично следуют в область n -типа, а электроны, соответственно, – в обратном направлении. Поэтому полупроводник p -типа заряжается отрицательно, а n -типа – положительно. Эта диффузия, однако, длится только до тех пор, пока возникающее в зоне перехода электрическое поле не начинает ей препятствовать, в результате чего перемещение и электронов , и дырок прекращается.

В выпускаемых промышленностью полупроводниковых приборах для использования p-n перехода к нему необходимо приложить внешнее напряжение. В зависимости от того, какими будет его полярность и величина, зависит поведение перехода и проходящий непосредственно через него электрической ток. Если к p -области подключается положительный полюс источника тока, а к n -области – полюс отрицательный, то имеет место прямое включение p-n перехода . Если же полярность изменить, то возникнет ситуация, называемая обратным включением p-n перехода .

Прямое включение

Когда осуществляется прямое включение p-n перехода , то под воздействием внешнего напряжения в нем создается поле. Его направление по отношению к направлению внутреннего диффузионного электрического поля противоположно. В результате этого происходит падение напряженности результирующего поля, а запирающий слой сужается.

Вследствие такого процесса в соседнюю область переходит немалое количество основных носителей заряда. Это означает, что из области p в область n результирующий электрический ток будет протекать дырками , а в обратном направлении – электронами .

Обратное включение

Когда осуществляется обратное включение p-n перехода , то в образовавшейся цепи сила тока оказывается существенно ниже, чем при прямом включении. Дело в том, что дырки из области n будут следовать в область p , а электроны – из области p в область n . Невысокая сила тока обуславливается тем обстоятельством, что в области p мало электронов , а в области n, соответственно, – дырок .

P-N переход - точка в полупроводниковом приборе, где материал N-типа и материал P-типа соприкасаются друг с другом. Материал N-типа обычно упоминается как катодная часть полупроводника, а материал P-типа - как анодная часть.

Когда между этими двумя материалами возникает контакт, то электроны из материала n-типа перетекают в материал p-типа и соединяются с имеющимися в нем отверстиями. Небольшая область с каждой стороны линии физического соприкосновения этих материалов почти лишена электронов и отверстий. Эта область в полупроводниковом приборе называется обедненной областью.

Эта обедненная область является ключевым звеном в работе любого прибора, в котором есть P-N переход. Ширина этой обедненной области определяет сопротивление протеканию тока через P-N переход, поэтому сопротивление прибора, имеющего такой P-N переход, зависит от размеров этой обедненной области. Ее ширина может изменяться при прохождении какого-либо напряжения через этот P-N переход. В зависимости от полярности приложенного потенциала P-N переход может иметь либо прямое смещение, либо обратное смещение. Ширина обедненной области, или сопротивление полупроводникового прибора, зависит как от полярности, так и от величины поданного напряжения смещения.

Когда P-N переход прямой (с прямым смещением), то тогда на анод подается положительный потенциал, а на катод - отрицательный. Результатом этого процесса является сужение обедненной области, что уменьшает сопротивление движению тока через P-N переход.

Если потенциал увеличивается, то обедненная область будет продолжать уменьшаться, тем самым еще больше понижая сопротивление протеканию тока. В конце концов, если подаваемое напряжение окажется достаточно велико, то обедненная область сузится до точки минимального сопротивления и через P-N переход, а вместе с ним и через весь прибор, будет проходить максимальный ток. Когда P-N переход имеет соответствующее прямое смещение, то он обеспечивает минимальное сопротивление проходящему через него потоку тока.

Когда P-N переход обратный (с обратным смещением), то отрицательный потенциал подается на анод, а положительный - на катод.

Это приводит к тому, что в результате обедненная область расширяется, а это вызывает увеличение сопротивления протеканию тока. Когда на P-N переходе создается обратное смещение, то имеет место максимальное сопротивление протеканию тока, а данный переход действует в основном как разомкнутая цепь.

При определенном критическом значении напряжения обратного смещения сопротивление протеканию тока, которое возникает в обедненной области, оказывается преодоленным и происходит стремительное нарастание тока. Значение напряжения обратного смещения, при котором ток быстро нарастает, называется пробивным напряжением.

Электронно-дырочный переход (сокращенно n-р-переход) возникает в полупроводниковом кристалле, имеющем одновременно области с n-типа (содержит донорные примеси) и р-типа (с акцепторными примесями) прово-димостями на границе между этими областями.

Допустим, у нас есть кристалл, в котором справа находится область полупроводника с дырочной, а слева - с электронной проводимостью (рис. 1). Благодаря тепловому движению при образовании контакта электроны из полупроводника n-типа будут диффундировать в область р-типа. При этом в области n-типа останется нескомпенсированный положительный ион донора.

Перейдя в область с дырочной проводимостью, электрон очень быстро рекомбинирует с дыркой, при этом в области р-типа образуется нескомпенсированный ион акцептора.

Аналогично электронам дырки из области р-типа диффундируют в электронную область, оставляя в дырочной области нескомпенсированный отрицательно заряженный ион акцептора. Перейдя в электронную область, дырка рекомбинирует с электроном. В результате этого в электронной области образуется нескомпенсированный положительный ион донора.

Диффузия основных носителей через переход создает электрический ток I осн, направленный из р-области в n-область.

В результате диффузии на границе между этими областями образуется двойной электрический слой разноименно заряженных ионов, толщина l которого не превышает долей микрометра.

Между слоями ионов возникает электрическое поле с напряженностью \(~\vec E_i\). Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей: электронов из n-области и дырок из р-области.

Необходимо заметить, что в n-области наряду с электронами имеются неосновные носители - дырки, а в р-области - электроны. В полупроводнике непрерывно происходят процессы рождения и рекомбинации пар. Интенсивность этого процесса зависит только от температуры и одинакова во всем объеме полупроводника. Предположим, что в n-области возникла пара "электрон-дырка". Дырка будет хаотически перемещаться по η области до тех пор, пока не рекомбинирует с каким-либо электроном. Однако если пара возникает достаточно близко к переходу, то прежде, чем произойдет рекомбинация, дырка может оказаться в области, где существует электрическое поле, и под его действием она перейдет в р-область, т.е. электрическое поле перехода способствует переходу неосновных носителей в соседнюю область. Соответственно, создаваемый ими ток I неосн мал. так как неосновных носителей мало.

Таким образом, возникновение электрического поля \(~\vec E_i\) приводит к появлению неосновного тока I неосн. Накопление зарядов около перехода за счет диффузии и увеличение \(~\vec E_i\) будут продолжаться до тех пор, пока ток I неосн не уравновесит ток I осн (I неосн = I осн) и результирующий ток через электронно-дырочный переход станет равным нулю.

Если к n-р-переходу приложить разность потенциалов, то внешнее электрическое поле \(~\vec E_{ist}\) складывается с полем \(~\vec E_i\) . Результирующее поле, существующее в области перехода, \(~\vec E = \vec E_{ist} + \vec E_i\). Токи I осн и I неосн совершенно различно ведут себя по отношению к изменению поля в переходе, I неосн с изменением поля очень слабо изменяется, так как он обусловлен количеством неосновных носителей, а оно в свою очередь зависит только от температуры.

I осн (диффузия основных носителей) очень чувствителен к полю напряженностью \(~\vec E\). I осн быстро увеличивается с ее уменьшением и быстро падает при увеличении.

Пусть клемма источника тока соединена с n-областью. а "-" - с р-областью (обратное включение (рис. 2, а)). Суммарное поле в переходе усиливается: E > E ist и основной ток уменьшается. Если \(~\vec E\) достаточно велика, то I осн << I неосн и ток через переход создается неосновными носителями. Сопротивление n-р-перехода велико, ток мал.

Если включить источник так, чтобы область n-типа оказалась подключена к а область р-типа к (рис. 2, б), то внешнее поле будет направлено навстречу \(~\vec E_i\), и \(~\vec E = \vec E_i + \vec E_{ist} \Rightarrow E = E_i - E_{ist} < E_i\), т.е. поле в переходе ослабляется. Поток основных носителей через переход резко увеличивается, т.е. I осн резко возрастает.

P-n-переход и его свойства

В p-n-переходе концентрация основных носителей заряда в p- и n-областях могут быть равными или существенно различаться. В первом случае p-n-переход называется симметричным, во втором - несимметричным. Чаще используются несимметричные переходы.

Пусть концентрация акцептной примеси в p-области больше, чем концентрация донорной примеси в n-области (рис. 1.1,а). Соответственно и концентрация дырок (светлые кружки) в p-области будет больше, чем концентрация электронов (черные кружки) в n-области.

За счет диффузии дырок из p-области и электронов из n-области они стремятся равномерно распределится по всему объему. Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентрации по всему объему кристалла. Однако этого не происходит. Дырки, переходя из p-области в n-область, рекомбинируют с частью электронов, принадлежащих атомам донорной примеси. В результате оставшиеся без электронов положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом. В тоже время уход этих дырок из p-области приводит к тому, что атомы акцепторной примеси, захватившие соседний электрон, образуют нескомпенсированный отрицательный заряд ионов в приграничной области. Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n-области в p-область, приводящее к тому же эффекту.

Рис.1.1. Р-n структура: а- равновесном состоянии; б- при прямом внешнем напряжении; в- при обратном внешнем напряжением; l- ширина р-n – перехода

В результате на границе, разделяющей n-область и p-область, образуется узкий, в доли микрона, приграничный слой l , одна сторона которого заряжена отрицательно (p-область), а другая - положительно (n-область).

Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов U (рис 1.1,а) или потенциальным барьером , преодолеть который носители не в состоянии. Дырки, подошедшие к границе со стороны p-области, отталкиваются назад положительным зарядом, а электроны, подошедшие из n-области, - отрицательным зарядом. Контактной разностью потенциалов Uсоответствует электрическое поле напряженностью Е . Таким образом, образуется p-n-переход шириной l , представляющий собой слой полупроводника с пониженным содержанием носителей - так называемый обедненный слой, который имеет относительно высокое электрическое сопротивление R .

Свойства p-n-структуры изменяются, если к ней приложить внешнее напряжение U пр. Если внешнее напряжение противоположно по знаку контактной разности потенциалов и напряженность внешнего поля Е пр противоположна Е (рис. 1.1,б), то дырки p-области, отталкиваясь от приложенного положительного потенциала внешнего источника, приближаются к границе между областями, компенсируют заряд части отрицательных ионов и сужают ширину р-n-перехода со стороны p-области. Аналогично, электроны n-области, отталкиваясь от отрицательного потенциала внешнего источника, компенсируют заряд части положительных ионов и сужают ширину p-n-перехода со стороны n-области. Потенциальный барьер сужается, через него начинают проникать дырки из p-области и электроны из n-области и через p-n-переход начинает течь ток.

С увеличением внешнего напряжения ток возрастает неограниченно, так как создается основными носителями, концентрация которых постоянно восполняется источником внешнего напряжения.

Полярность внешнего напряжения, приводящая к снижению потенциального барьера, называется прямой, открывающей, а созданный ею ток - прямым. При подаче такого напряжения p-n-переход открыт и его сопротивление R пр <

Если к p-n-структуре приложить напряжение обратной полярности U обр (рис. 1.1,в), эффект будет противоположный. Электрическое поле напряженностью Е обр совпадает по направлению с электрическим полем Е р-n-перехода. Под действием электрического поля источника дырки p-области смещаются к отрицательному потенциалу внешнего напряжения, а электроны n-области - к положительному потенциалу. Таким образом, основные носители заряда отодвигаются внешним полем от границы, увеличивая ширину p-n-перехода, который оказывается почти свободным от носителей заряда. Электрическое сопротивление p-n-перехода при этом возрастает. Такая полярность внешнего напряжения называется обратной, запирающей. При подаче такого напряжения p-n-переход закрыт и его сопротивление R обр >>R .

Тем не менее при обратном напряжении наблюдается протекание небольшого тока I обр. Этот ток в отличие от прямого определяется носителями не примесной, а собственной проводимости, образующейся в результате генерации пар "свободный электрон - дырка" под воздействием температуры. Эти носители обозначены на рис. 1.1,в единственный электрон в p-области и единственной дыркой в n-области. Значение обратного тока практически не зависит от внешнего напряжения. Это объясняется тем, что в единицу времени количество генерируемых пар "электрон - дырка" при неизменной температуре остается постоянным, и даже при U обр в доли вольт все носители участвуют в создании обратного тока.

При подаче обратного напряжения p-n-переход уподобляется конденсатору, пластинами которого является p- и n-области, разделенные диэлектриком. Роль диэлектрика выполняет приграничная область, почти свободная от носителей заряда. Эту емкость p-n-перехода называют барьерной . Она тем больше, чем меньше ширина p-n-перехода и чем больше его площадь.

Принцип работы p-n-перехода характеризуется его вольт-амперной характеристикой. На рис.1.2 показана полная вольт-амперная характеристика открытого и закрытого p-n-переходов.

Как видно, эта характеристика является существенно нелинейной. На участке 1 Е пр < Е и прямой ток мал. На участке 2 Е пр > Е , запирающий слой отсутствует, ток определяется только сопротивлением полупроводника. На участке 3 запирающий слой препятствует движению основных носителей, небольшой ток определяется движением неосновных носителей заряда. Излом вольт-амперной характеристики в начале координат обусловлен различными масштабами тока и напряжения при прямом и обратном направлениях напряжения, приложенного к p-n-переходу. И наконец, на участке 4 при U обр =U проб происходит пробой p-n-перехода и обратный ток быстро возрастает. Это связанно с тем, что при движении через p-n-переход под действием электрического поля неосновные носители заряда приобретают энергию, достаточную для ударной ионизации атомов полупроводника. В переходе начинается лавинообразное размножение носителей заряда - электронов и дырок, - что приводит к резкому увеличению обратного тока через p-n-переход при почти неизменном обратном напряжении. Этот вид электрического пробоя называется лавинным. Обычно он развивается в относительно широких p-n-переходах, которые образуются в слаболегированных полупроводниках.

В сильнолегированных полупроводниках ширина запирающего слоя меньше, что препятствует возникновению лавинного пробоя, так как движущиеся носители не приобретают энергию, достаточной для ударной ионизации. В тоже время может возникать электрический пробой p-n-перехода, когда при достижении критического напряжения электрического поля в p-n-переходе за счет энергии поля появляются пары носителей электрон - дырка, и существенно возникает обратный ток перехода.

Для электрического пробоя характерна обратимость, заключающаяся в том, что первоначальные свойства p-n-перехода полностью восстанавливаются, если снизить напряжение на p-n-переходе. Благодаря этому электрическому пробою используют в качестве рабочего режима в полупроводниковых диодах.

Если температура p-n-перехода возрастает в результате его нагрева обратным током и недостаточного теплоотвода, то усиливается процесс генерации пар носителей заряда. Это, в свою очередь, приводит к дальнейшему увеличению тока (участок 5 рис. 1.2) и нагреву p-n-перехода, что может вызвать разрушение перехода. Такой процесс называется тепловым пробоем. Тепловой пробой разрушает p-n-переход.

Особое значение имеют контакты полупроводников с различными типами проводимости, так называемыми p-n-переходы. На их основе создаются полупроводниковые диоды, детекторы, термоэлементы, транзисторы.

На рисунке 41 изображена схема p-n-перехода.

На границе полупроводников p-n-типа образуется так называемый «запирающий слой», обладающий рядам замечательных свойств, которые и обеспечили широкое применение p-n-переходов в электронике.

Поскольку концентрация свободных электронов в полупроводнике n-типа очень высока, а в полупроводнике p-типа во много раз меньше, на границе происходит диффузия свободных электронов из области n в область p.

То же самое можно сказать и о дырках; они диффундируют наоборот из p в n.

Из-за этого в пограничной области (в «запирающем слое») происходит интенсивная рекомбинация электронно-дырочных пар, запирающий слой обедняется носителями тока, его сопротивление резко возрастает.

В результате диффузии по обе стороны от границы образуются объёмный положительный заряд в области n и объёмный отрицательный заряд в p-области.

Таким образом, в запирающем слое возникает электрическое поле с напряжённостью , силовые линии которого направлены от n к p, а значит, и контактная разность потенциалов , где d к – толщина запирающего слоя. На рисунке 37 изображён график распределения потенциала в p-n-переходе.

За нулевой потенциал принят потенциал границы p и n областей.

Следует заметить, что толщина запирающего слоя очень мала и на рис. 42 её масштаб для наглядности сильно искажён.

Величина контактного потенциала тем больше, чем больше концентрация основных носителей; при этом толщина запирающего слоя уменьшается. Например, для германия при средних значениях концентрации атомов примеси.

U к = 0,3 – 0,4 (В)

d к = 10 -6 – 10 -7 (м)

Контактное электрическое поле тормозит диффузию электронов из n в p и дырок из p в n и очень быстро в запирающем слое устанавливается динамическое равновесие между электронами и дырками, движущимися вследствие диффузии (ток диффузии) и движение их под действием контактного электрического поля в противоположную сторону (дрейфовый ток или ток проводимости).

В установившемся режиме ток диффузии равен и противоположен току проводимости, и так как в этих токах принимают участие и электроны и дырки, полный ток через запирающий слой равен нулю.

На рисунке 43 изображены графики распределения энергии свободных электронов и дырок в p-n-переходе.

Из графиков видно, что электронам из n области, чтобы попасть в p область, нужно преодолеть высокий потенциальный барьер. Следовательно, это доступно очень немногим из них, наиболее энергичным.

В тоже время электроны из p области свободно проходят в n область, загоняемые туда контактным полем (катятся в «яму»).

Но в n-области концентрация свободных электронов ничтожна и в установившемся режиме незначительное одинаковое количество электронов движется через границу в противоположных направлениях.

Аналогичные рассуждения можно привести о движении дырок через границу p-n-перехода. В результате при отсутствии внешнего электрического поля, полный ток через запирающий слой равен нулю.

К полупроводнику p-типа p-n-перехода подсоединим положительный полюс источника тока, а к полупроводнику n-типа – отрицательный, как это показано на рисунке 44.

Тогда электрическое поле в этой конструкции, направленное от полупроводника p-типа к полупроводнику n-типа, способствует направленному движению дырок и электронов через запирающий слой, что приводит к обогащению запирающего слоя основными носителями тока и, следовательно, к уменьшению его сопротивления. Диффузионные токи существенно превосходят токи проводимости как образованные электронами, так и дырками. Через p-n-переход течёт электрический ток, благодаря направленному движению основных носителей.

При этом величина контактного потенциала (потенциальный барьер) резко падает, т.к. внешнее поле направлено против контактного. Это означает, что для создания тока достаточно подключить к p-n-переходу внешнее напряжение порядка лишь нескольких десятых долей одного вольта.

Возникающий здесь ток называется прямым током . В полупроводнике p-типа прямой ток представляет собой направленное движение дырок в направлении внешнего поля, а в полупроводнике n-типа – свободных электронов в противоположном направлении. Во внешних проводах (металлических) движутся только электроны. Они перемещаются в направлении от минуса источника и компенсируют убыль электронов, уходящих через запирающий слой в область p. А из p электроны через металл уходят к + источника. Навстречу электронам «дырки» из p-области движутся через запирающий слой в n-область.

Распределение потенциала в этом случае изображена на рисунке 45а

Пунктиром показано распределение потенциала в p-n-переходе при отсутствии внешнего электрического поля. Изменение потенциала вне запирающего слоя пренебрежимо мало.

На рис. 45б изображено распределение электронов и дырок в условиях прямого тока.

Из рисунка 40б видно, что потенциальный барьер резко упал, и основным носителям тока электронам и дыркам легко проникнуть через запирающий слой в «чужие» для них области.

Теперь подключим положительный полюс к полупроводнику n-типа, а отрицательный к p-типа. Под действием такого обратного напряжения через p-n-переход протекает так называемый обратный ток .

В этом случае напряжённости внешнего электрического и контактного полей сонаправлены, следовательно, напряжённость результирующего поля увеличивается и увеличивается потенциальный барьер, который становится практически непреодолимым для проникновения основных носителей через запирающий слой, и токи диффузии прекращаются. Внешнее поле стремится, как бы отогнать дырки и электроны друг от друга, ширина запирающего слоя и его сопротивление увеличиваются. Через запирающий слой проходит только токи проводимости, то есть токи, вызванные направленным движением неосновных носителей. Но поскольку концентрация неосновных носителей много меньше, чем основных, этот обратный ток много меньше прямого тока.