Електричний перехід в напівпровіднику - це граничний шар між двома областями, фізичні характеристики яких суттєво різняться.
Переходи між двома областями напівпровідника з різним типом електропровідностей називаються електронно-дірковий або p-n переходами.
Переходи між двома областями з одним типом електропровідності (p- або n-типом), що відрізняються концентрацією домішок і відповідно значенням питомої провідності, називають електронно-електронними (- перехід) або доречний-дірковими (- перехід), причому знак «+» в позначенні одного з шарів показує, що концентрація носіїв заряду одного типу в цьому шарі значно вище, ніж у другому, і тому шар має меншу питомий електричний опір.
Переходи між двома напівпровідниковими матеріалами, що мають різну ширину забороненої зони, називають гетеропереходами. Якщо одна з областей, що утворюють перехід, є металом, то такий перехід називають переходом метал-напівпровідник.
Контакт метал-напівпровідник. Нехай рівень Фермі в металі, який завжди розташований в зоні провідності, лежить вище рівня Фермі напівпровідника p-типу.
Мал. 1. Енергетична зонна діаграма контакту метал-напівпровідник p-типу:
а - метал, б - напівпровідник p-типу, в - контакт метал-напівпровідник.
Так як енергія електрона металу більше енергії носіїв заряду напівпровідника, частина електронів перейде з металу в напівпровідник. Перехід буде тривати до тих пір, поки рівні Фермі поблизу контакту не вирівняються. У напівпровіднику поблизу контакту виявиться надлишковий заряд електронів # 916; n які почнуть рекомбінувати з дірками. Зменшення концентрації дірок призведе до порушення електронейтральності на цій ділянці. На ньому утворюється шар нерухомих негативних заряджених іонів акцепторної домішки, відповідно область зарядиться позитивно, отже утворився об'ємний заряд в області контакту.
У рівноважної системі спостерігається динамічна рівновага зустрічно рухомих основних і неосновних носіїв заряду.
У вузькому Пріконтактние ділянці, товщина якого характеризується так званої дебаєвської, енергетичні рівні викривлені (рис. 1, в).
Перехід між металом і напівпровідником володіє вентильними властивостями. Його називають бар'єром Шотткі.
Аналогічні процеси мають місце при контакті Ме з напівпровідником n-типу, у якого рівень Фермі вище, ніж у Ме.
Мал. 2. Зонна діаграма контакту метал-напівпровідник, при якому виникає область збіднення: а - метал, б - напівпровідник n-типу, в - контакт метал-напівпровідник
Контакт двох напівпровідників p- і n- типів. Розглянемо перехід між двома областями напівпровідника, що мають різний тип електропровідності. Концентрації основних носіїв заряду в цих областях можуть бути рівні або мати відчутні відмінності.
Електронно-дірковий перехід, у якого, називають симетричним. Якщо концентрація основних носіїв заряду в областях різні (або) і відрізняються в 100 ... 1000 разів, то такі p-n-переходу називають несиметричними.
Залежно від характеру розподілу домішок, розрізняють два типи переходів: різкий (ступінчастий) і плавний. У різкому переході концентрації домішок на межі розділу областей змінюються на відстані, порівнянній з дифузійної довжиною. У плавний перехід концентрації домішок на межі розділу областей змінюються на відстань значно більше дифузійної довжини.
Властивості несиметричного p- n- переходу. Нехай концентрація дірок в області напівпровідника p-типу набагато вище концентрації електронів в області n-типу.
Так як концентрація дірок в області р вище, ніж в області n, частина дірок в результаті дифузії перейде в n-область, отже поблизу кордону опиняться надлишкові дірки, які будуть рекомбіноровать з електронами. Отже в цій зоні зменшиться концентрація вільних електронів і утворюється області не компенсуються позитивних іонів донорних домішок. В p-області догляд дірок з граничного шару сприяє утворенню областей з некомпенсованими негативними зарядами акцепторних домішок, створеними іонами.
Подібним же чином відбувається дифузійне переміщення електрона з n шару в р шар. Переміщення відбувається до тих пір, поки рівні Фермі незрівняються.
Перехід неосновних носіїв призводить до зменшення об'ємного заряду і електричного поля в переході. Як наслідок, має місце додатковий дифузний перехід основних носіїв, в результаті чого електричне поле приймає початкове значення. У разі рівного розподілу потоків основних і неосновних носіїв заряду і відповідно струмів, настає динамічна рівновага.
Таким чином, через в p-n- перехід в рівноважному стані рухаються два зустрічно спрямованих потоку зарядів, що знаходяться в динамічній рівновазі і взаємно компенсують один одного.
Іони в р-n-переході створюють різницю потенціалів Uk. звану потенційним бар'єром або контактною різницею потенціалів.
Напруженість електричного поля - диференціал від Uk. взятий з координування:
Значення контактної різниці потенціалів визначається положеннями рівнів Фермі в областях n і р:
Ширину несиметричного ступеневої переходу можна визначити з виразу:
де - відносна діелектрична проникність напівпровідника; - діелектрична постійна повітря.
Перехід, зміщений в прямому напрямку. Зменшиться потенційний бар'єр і стане рівним:. Відповідно зменшиться ширина p- n- переходу: і його опір. У ланцюзі потече електричний струм. Однак до тих пір, поки | |> | U |, збіднений носіями заряду p- n- перехід має високий опір і струм має мале значення. Цей струм викликаний додатковим дифузійним рухом носіїв заряду, переміщення яких стало можливим у зв'язку зі зменшенням потенційного бар'єру.
При | = | U | товщина p- n- переходу прямує до нуля і при подальшому збільшенні напруги U перехід як область, збіднена носіями заряду, зникає взагалі.
Мал. 1. Структура p- n- переходу, зміщеного в прямому напрямку (а); розподіл потенціалів в p- n- переході (б)
Введення носіїв заряду через електронно-дірковий перехід в область напівпровідника, де вони є неосновними носіями за рахунок зниження потенційного бар'єру, називається інжекцією.
Инжектируются шар з відносно малим питомим опором називають еммітером. шар в якому інжектріуются не основні для нього носії, - базою.
Поблизу p- n- переходу концентрації дірок в області n і електронів в області p відрізняються від рівноважної:; .
Додаткові н.н.з. протягом часу (3 ... 5) # 964; компенсуються основними носіями заряду, які приходять з обсягу напівпровідника. В результаті на кордоні p-n- переходу з'являється заряд, створений основними носіями заряду. І виконується така умова: # 8710; nn # 8710; pn; # 8710; pp # 8710; np
Електронейтральність напівпровідника відновлюється. Такий перерозподіл основних носіїв заряду призводить до появи електричного струму в зовнішньому ланцюзі, тому що по ній надходять носії заряду замість тих, що пішли до р-n- переходу і зниклих в результаті рекомбінації. При дифузії н.н.з. всередину напівпровідника, концентрація їх безперервно зменшується за рахунок рекомбінації. Якщо розміри р- і n- областей перевищують дифузійні довжини Ln. Lp. то концентрації неосновних носіїв заряду при видаленні від переходу визначаються як:
де х- відстань від точки, де надмірна концентрація дорівнює # 8710; pn або # 8710; np.
На відстані х≈ (3 ± 5) L концентрація н.н.з. прагне pn0 і np0. Далеко від p-n- переходу, де диффузионная складова струму прагне до нуля, останній має дрейфовий характер, і о.н.з. рухаються в електричному полі, створеному зовнішнім напругою на ділянці p- і n- областей, що мають омічний опір.
У рівноважному стані через p-n-перехід протікає струм, що має дві складові. Одна обумовлена дифузією основних носіїв зарядів в область, де вони є неосновними, інша - дрейфом н.н.з. теплового походження. Струм дифузії о.н.з. - IT за рахунок зниження потенційного бар'єру збільшується і є функцією прикладеної напруги.
Інша складова струму при додатку зовнішнього напруги залишається практично без змін, що обумовлено генерацією поблизу p-n- переходу носіїв, на відстані меншій дифузійної довжини.
Це рівняння ідеалізованого p-n- переходу, на основі якого визначають вольт-амперні характеристики напівпровідникових приладів. IT - тепловий струм (зворотний струм насичення). Він залежить від температури і не залежить від напруги.
Перехід, зміщений у зворотному напрямку.
Мал. 2. Структура p-n-переходу зміщеного в зворотному напрямку (а) розподіл потенціалу в р-n- переході (б)
Якщо до електронно-діркового переходу докладено зворотна напруга, полярність якого збігається з напрямком контактної різниці потенціалів ( «+» до n-області, «-» до р-області), то загальний потенційний бар'єр підвищується.
Рух основних носіїв через p-n- перехід зменшується і при деяких значеннях U взагалі припиняється, тобто починається дефіцит основних носіїв в область p-n- переходу. При цьому струм обумовлений рухом н.н.з. які, потрапивши поле електронно-діркового переходу, будуть ними ж захоплюватися і переноситися через p-n- перехід. Це екстракція ( «відсмоктування» н.н.з.). Догляд н.н.з. призводить до того, що концентрація p-n- переходу знизиться до нуля. Спад н.н.з. створює електричний струм. Для зворотного зсуву:
Таким чином, тепловий струм, викликаний рухом н.н.з. залишається незмінним, а струм, викликаний дифузією о.н.з. зменшується за експоненціальним законом. При напрузі 2-3 # 966; T струмом о.н.з. можна знехтувати. Значення зворотного струму не залежить від зворотного напруги, прикладеного до p-n- переходу. Тому тепловий струм IT в цьому випадку називають зворотним струмом насичення. Це пояснюється тим, що все н.н.з. генеруються в обсязі, обмеженому дифузійної довжиною і площею p-n- переходу, беруть участь в русі через p-n-перехід. З цього випливає, що ідеалізований p-n- перехід має вентильні властивості.