Физика
Учебник для 10-11 классов

       

§ 3.17. Электронно-дырочный переход (n-р-переход)

  • Особый практический интерес представляют явления на границе раздела полупроводников с n и р-проводимостями. При этом образуется так называемый электронно-дырочный (n—р) переход.

При контакте двух полупроводников с различными типами проводимости вследствие теплового движения происходит взаимная диффузия носителей заряда через границу соприкосновения (контакт) полупроводников. Электроны из n-области, где они являются основными носителями заряда, переходят в р-область, где их концентрация значительно меньше.

Точно так же дырки переходят из р-области в n-область. Поэтому n-область вблизи границы раздела оказывается заряженной положительно, а р-область — отрицательно (рис. 3.49, a); n-область приобретает положительный потенциал, и энергия электрона в ней оказывается меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал р-области сделается отрицательным, и энергия электрона в ней увеличится. Кривая распределения потенциальной энергии электронов Wэ имеет вид, показанный на рисунке 3.49, б сплошной линией. Напротив, энергия положительных дырок Wд больше в n-области и меньше в р-области (штриховая кривая на том же рисунке).

Рис. 3.49

В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полная сила тока через электронно-дырочный переход равна нулю. Объясняется это следующим образом. Из рисунка 3.49 видно, что контактное электрическое поле способствует движению неосновных носителей заряда, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители приконтактной области движутся через n—р-переход и образуют ток iн, направленный от л-полупроводника к р-полупроводнику. Его сила тока практически не зависит от разности потенциалов между n- и р-полупроводниками и определяется только количеством неосновных носителей заряда.

Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток io, направленный противоположно, т. е. от р-полупроводника к п-полупроводнику. На рисунке 3.49, б видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолеть потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов), при которой полная сила тока

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Предположим, что мы приложили к контакту напряжение такого знака, что потенциал n-области оказывается отрицательным, а р-области — положительным (рис. 3.50, а). Тогда энергия электронов в n-области увеличится, а в р-области уменьшится, а следовательно, высота потенциального барьера станет меньше (рис. 3.50, б). При этом сила тока неосновных носителей iн, как говорилось выше, не изменится.

Рис. 3.50

Сила же тока основных носителей io увеличится, так как теперь большее количество электронов сможет преодолеть потенциальный барьер и перейти слева направо, а также большее количество дырок — перейти в противоположном направлении. В результате через контакт будет идти ток i = io - iн, направленный от р-полупроводника к n-полупроводнику; сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения. Направление тока, которое возникает в данном случае, называют пропускным, а ток — прямым.

Что будет происходить, если к n-области присоединить положительный полюс источника тока, а к р-области — отрицательный (рис. 3.51, а)? В этом случае высота потенциального барьера увеличится и сила тока основных носителей io уменьшится. Уже при напряжениях порядка 1 В этот ток практически обратится в нуль, и поэтому через контакт будет течь только ток неосновных носителей, при этом сила тока iн будет очень мала (рис. 3.51, б). Это направление тока называют запирающим, а ток — обратным.

Рис. 3.51

Таким образом, n—р-переход обладает односторонней проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двух-электродной лампы — вакуумному диоду (см. § 3.12).

Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяются в современных полупроводниковых приборах. Приборы с одним n—р-переходом называются диодами (рис. 3.52, а); с двумя — транзисторами (рис. 3.52, б); с тремя — тиристорами (рис. 3.52, в).

Рис. 3.52

Электронно-дырочный переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.

Рейтинг@Mail.ru