Электронно-дырочный переход
Переходный слой между областями материала с различными типами электрической проводимости или различными значениями удельной электрической проводимости называют электрическим переходом. Переход между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электрическую проводимость n-типа, а другая p-типа, называют электронно-дырочным или p-n-переходом. Переходы между областями полупроводника с различными удельными электрическими проводимостями в зависимости от типа проводимости называют электронно-электронными или дырочно-дырочными. В месте стыка металла с полупроводником образуется переход металл-полупроводник.
Электрические переходы нельзя создать путем механического контакта двух областей с разными физическими свойствами, хотя при рассмотрении физических процессов такая абстракция обычно используется. Это объясняется тем, что поверхности кристаллов обычно загрязнены оксидами и атомами других веществ. Существенную роль играет воздушный зазор, устранить который при механическом контакте практически невозможно. Технологический процесс создания реального электронно-дырочного перехода может быть различным: сплавление (сплавные диоды), диффузия одного вещества в другое (диффузионные диоды), эпитаксия – ориентированный рост одного кристалла на поверхности другого и др.
Структура p-n-перехода показана на рис. 2.6, а. Поверхность, по которой контактируют слои p- и n-, называют металлургической границей. Идеализированным или ступенчатым переходом считается p-n-переход с идеальной границей между p- и n-областями. По одну сторону такой границы находится полупроводник с донорной примесью с постоянной концентрацией Nд, имеющий проводимость n-типа (n-область). По другую сторону такой границы находится полупроводник с акцепторной примесью с постоянной концентрацией Nа, имеющий проводимость p-типа (p-область). В реальных p-n- переходах граница между p- и n-областями размыта. Между этими областями наблюдается изменение примесей по их типу и концентрации. Такие переходы называются плавными. Резкость границы играет существенную роль, так как в плавном p-n-переходе трудно получить те вентильные свойства, которые необходимы для работы диодов и транзисторов.
Концентрации основных носителей заряда в p- и n- областях могут быть равны или существенно различаться. Электронно-дырочный переход, у которого концентрации основных носителей заряда в p- и n-областях равны, называют симметричным. В несимметричном p-n-переходе концентрации основных носителей заряда в p- и n-областях могут различаться в 100–1000 раз. Несимметричные p-n-переходы находят более широкое применение.
Рассмотрим процессы в p-n-переходе, предположив, что всякое внешнее электрическое поле отсутствует. Так как дырки и свободные электроны подвижны, они диффундируют внутри кристалла полупроводника, как перемещаясь в своей области, так и переходя из одной области в другую, поэтому часть электронов из n-области перемещается в p-область. Аналогично дырки из p- области перемещаются в n-область. В результате встречного движения противоположных зарядов возникает так называемый диффузионный ток. Если бы электроны и дырки были электрически нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла. Однако этого не происходит по следующей причине. Напомним, что отдельно взятая область полупроводника электрически нейтральна (например, в n-области общий отрицательный заряд свободных электронов равен общему положительному заряду ионов донорных атомов). Дырки, переходя из p-области в n-область, рекомбинируют с частью электронов n-области, в результате чего положительно заряженные ионы донорной примеси n-области образуют приграничный слой с положительным зарядом.
Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из n- области в p-область, приводящее к тому же эффекту, т.е. образованию зарядов с противоположным знаком в приграничном слое между p- и n-областями. Этот приграничный слой и представляет p-n-переход.
Образовавшиеся пространственные заряды образуют в переходе электрическое поле, направленное так, что оно препятствует дальнейшему дрейфу носителей. В самом деле, дырка, подошедшая к границе со стороны p-области, возвращается обратно положительно заряженными ионами n-области, так как одноименные заряды отталкиваются. Подобным же образом отрицательно заряженные ионы p-области отталкивают вглубь n-области электроны, подошедшие к ее границе вследствие диффузии.
При таком динамическом равновесии p-n-переход представляет собой слой с пониженным содержанием носителей (так называемый обедненный слой), который определяет относительно высокое электрическое сопротивление перехода. При этом внутри кристалла на границе раздела возникает собственное электрическое поле. Напряженность этого поля максимальна на границе раздела, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. На некотором удалении от границы раздела объемный заряд отсутствует и полупроводник является нейтральным. Распределение плотности объемного заряда в переходе приведено на рис. 2.6, б.
Обедненный носителями запирающий слой характеризуется высотой потенциального барьера, равной контактной разности потенциалов :
, (2.1)
и шириной запирающего слоя l
, (2.2)
где n и p – соответственно потенциалы n- и p-областей;
– температурный потенциал;
ni – концентрация электронов проводимости собственного полупроводника;
0 – электрическая постоянная;
– относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;
k – постоянная Больцмана;
T – абсолютная температура;
e – заряд электрона.
При температуре T = 300 К T 0,026 В, контактная разность потенциалов германиевого p-n-перехода к 0,36 В, ширина запирающего слоя l 2,5 мкм. Соответственно для кремниевого p-n-переходак 0,83 В, а l 0,3 мкм.