>>> Перейти на полный размер сайта >>>

Учебное особие по физике

Электронно-дырочный переход

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.

Рис. 1

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 . 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 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 Iнеосн мал. так как неосновных носителей мало.

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

Если к n-р-переходу приложить разность потенциалов, то внешнее электрическое поле складывается с полем . Результирующее поле, существующее в области перехода,

Токи Iосн и Iнеосн совершенно различно ведут себя по отношению к изменению поля в переходе, Iнеосн 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 . 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: и основной ток уменьшается. Если достаточно велика, то и ток через переход создается неосновными носителями. Сопротивление n-р-перехода велико, ток мал.

Рис. 2

Если включить источник так, чтобы область n-типа оказалась подключена как область р-типа к (рис. 2, б), то внешнее поле будет направлено навстречу , и

т.е. поле в переходе ослабляется. Поток основных носителей через переход резко увеличивается, т.е. I_осн резко возрастает.

Такое включение диода называется прямым. Таким образом, кристалл с электронно-дырочным переходом обладает односторонней проводимостью и может служить для выпрямления переменного тока. Вольт-амперная характеристика такого диода имеет вид, представленный на рисунке 3. Сплошная кривая соответствует прямому включению, а пунктирная — обратному.

Рис. 3

Для снятия этой характеристики можно воспользоваться электрической цепью, схема которой приведена на рисунке 4.

Рис. 4

Таким образом, n-р-переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.