Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход и его вольт-амперная характеристика
(P-N переход).
Электронно –дырочным переходом ( n-p или p-n переходом ) называется область ,
отделяющую примесный полупроводник с электронной электропроводностью от
примесного полупроводника с дырочной электропроводимостью. Переход в
зависимости от технологии его изготовления может иметь плоскую , сферическую
или иную форму.
Для изучения свойств p-n перехода воспользуемся упрощённым изображением
полупроводников с электронной и дырочной электропроводностями, показанным на
рисунке.
При отсутствии внешнего электрического поля в области электронно-дырочного
перехода возникает внутреннее электрическое поле между положительными
ионами акцепторов и отрицательными ионами доноров. Это поле называется
электрическим полем потенциального барьера. Очевидно , напряжённость этого
поля зависит от числа ионизированных атомов примесей и ширины p-n перехода.
Чем больше число ионизированных атомов и чем меньше ширина перехода, тем
больше будет напряжённость электрического поля потенциального барьера.
В процессе изготовления перехода некоторые электроны из области n диффундируют
в область р и там рекомбинируют с дырками, которые до этого нейтрализовали
заряды отрицательных ионов. Диффузия электронов уменьшается по мере
образования потенциального барьера .
Помимо диффузии электронов из n- области в р-область ,будет происходить диффузия
дырок из р-области в n-область. При постоянной температуре устанавливается
динамическое равновесие , при котором электронный и дырочный токи равны.
Этому равновесию соответствует постоянная величина потенциального барьера.
Следует отметить , что заряды p- и n-областей равны т. е кристалл полупроводника в
целом электрически нейтрален.
Рассмотрим теперь движение носителей зарядов через переход под влиянием
внешнего электрического поля .
Если внешний источник э. д. с. включить так , чтобы его поле было направлено
навстречу полю потенциального барьера, то действие барьера будет ослаблено , и в
результате увеличившейся энергии основных зарядов с обеих сторон перехода под
действием внешнего поля диффузия носителей зарядов через переход в обоих
направлениях увеличится. Во внешней цепи появится ток , называемый током
прямой проводимости 𝐼пр . Если полярность внешнего источника э. д. с. изменить так
, чтобы его поле совпадало по направлению с полем потенциального барьера, то
действие барьера ( точнее , напряжённость электрического поля в области барьера)
усилится , основные носители заряда не будут проходить через барьер. Во внешней
цепи будет протекать очень малый по величине ток, называемый обратным током
𝐼обр , так как этот ток обусловлен дрейфом через барьер в обоих направлениях
неосновных
носителей зарядов.
Из рассмотренного процесса движения зарядов через электронно дырочный переход
следует, что при прямом включении внешнего источника э. д. с. ток 𝐼пр во внешней
цепи оказывается во много раз больше тока 𝐼обр , протекающего во внешней цепи при
обратном включении внешнего источника э. д. с.
Следовательно, р-n-переход обладает свойством односторонней электропроводности,
которое используется в диодах, транзисторах, тиристорах и многих других
полупроводниковых приборах.
В электрических схемах прибор с электронно-дырочным переходом обозначают как
вентиль, направление «стрелки» которого соответствует направлению тока прямой
проводимости. Вольт-амперная характеристика I = f (U) электронно-дырочного
перехода имеет ярко выраженный нелинейный характер. При малых положительных
(прямых) напряжениях зависимость прямого тока от приложенного прямого
напряжения нелинейна . Это объясняется тем, что перенос носителей зарядов через
переход, электрическое поле которого ослаблено внешним полем, происходит путем
диффузии основных носителей зарядов. Под действием внешнего поля основные
носители зарядов дрейфуют по направлению к переходу, и их концентрация в зоне
перехода резко возрастает. При дальнейшем увеличении напряженности внешнего
поля направление электрического поля в области потенциального барьера изменяется
на обратное. Напряженность внешнего электрического поля становится больше
напряженности поля барьера, и через барьер в обоих направлениях начинается дрейф
основных носителей зарядов. Крутизна прямой ветви характеристики заметно
увеличивается.
Виды пробоев электронно-дырочного перехода
При больших обратных напряжениях может произойти пробой электронно-дырочного
перехода, во время которого обратный ток резко возрастает, переход теряет свойство
односторонней электропроводимости.
Различают три вида пробоя перехода:
1.
Электрический пробой, вызванный чрезмерным возрастанием напряженности
электрического поля в переходе. Обратный ток при электрическом пробое перехода
возрастает потому, что электрическое поле большой напряженности вырывает
электроны из ковалентных связей ,а это приводит к увеличению концентрации
носителей заряда в переходе.
2.
Лавинный пробой, при котором большие скорости неосновных носителей
зарядов в области перехода вызывают ионизацию нейтральных атомов и связанное с
ней лавинообразное размножение носителей заряда, приводящее к увеличению
обратного тока через переход .Электрический и лавинный пробои не разрушают
электронно-дырочный переход, при уменьшении напряженности поля в переходе эти
пробои прекращаются.
3.
Тепловой пробой, вызванный нагревом перехода и вследствие этого резким
увеличением термогенерации носителей зарядов в области перехода. Тепловой
пробой в отличие от электрического и лавинного пробоев приводит к разрушению
электронно-дырочного перехода, т. е. является необратимым.
Одним из важных параметров полупроводниковых приборов с электроннодырочными переходами является допустимое обратное напряжение 𝑈 обр 𝑚𝑎𝑥 , при
котором сохраняется свойство односторонней электропроводности. Превышение
величины обратного напряжения может привести к необратимому тепловому пробою
электронно-дырочного перехода и, следовательно, к выходу из строя
полупроводникового прибора.