Реферат: Электронно-дырочный переход

Рассмотрим подробнее принцип действия, типы и применение в технике полупроводниковых диодов.

Электронно-дырочный переход

Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. При этом речь идет не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной.

Между электронной и дырочной областями рассматриваемой полупроводниковой структуры всегда существует тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. Этот слой называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов.

Динамическое равновесие процессов диффузии и дрейфа в электронно-дырочном переходе.

Примем, что в рассматриваемой p-n-структуре концентрация дырок в дырочной области выше, чем в электронной(p_p >p_n ), а концентрация электронов в электронной области выше, чем в дырочной(n_n >n_p ), на границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации носителей заряда, вызывающий диффузионный ток: дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. Диффузионный перенос заряженных частиц сопровождается нарушением электрической нейтральности полупроводника в непосредственной близости от границы областей: в p-области вследствие ухода дырок возникает не скомпенсированный отрицательный заряд, а в n-области вследствие ухода электронов – положительный заряд. В результате дырочная область приобретает отрицательный потенциал относительно электронной области и в переходном слое создается электрическое поле, вызывающее дрейфовый ток.

Но при отсутствии внешнего поля результирующий ток в полупроводнике должен быть равен нулю, это условие динамического равновесия процессов в переходе. Следовательно, диффузионный ток в переходе, вызываемый градиентом концентрации носителей заряда, должен уравновешиваться встречным дрейфующим током, обусловленным напряженностью собственного электрического поля E в переходе:

Таким образом, в электронно-дырочном переходе всегда существуют градиент концентрации заряда, вызывающий диффузию дырок и электронов, и обусловленный им градиент потенциала собственного электрического поля du/dx=-E , вызывающий встречные дрейфующие токи, уравновешивающие диффузионные токи:

,

Наличие этих градиентов в p-n-переходе обуславливает существенное отличие его электрофизических свойств от свойств, прилегающих к нему p- и n-областей.

Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода.

Энергетические диаграммы уединенных p- и n-областей полупроводника показаны на рисунке. В p-области уровень Ферми W_Fp смещен в сторону валентной зоны, а в n-области уровень Ферми W_Fn – в сторону зоны проводимости.

В p-n-структуре энергия уровня Ферми W_F должна быть всюду одинакова:

W_F = W_Fp = W_Fn ,

так как в любой точке тела он имеет одну и ту же вероятность заполнения его электроном, равную, по определению, ½, а одной и той же вероятности заполнения уровней должна соответствовать одна и та же их энергия.

Поскольку расположение энергетических зон относительно уровня Ферми в каждой из областей (дырочной и электронной) фиксировано, из постоянства энергии уровня Ферми по всей p-n-структуре вытекает, что валентные зоны, а также зоны проводимости p- и n-областей должны быть смещены относительно друг друга на величину W_Fn - W_Fp .

Из условий динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа носителей заряда в p-n-переходе следует, что разность минимальных энергий электронов проводимости в p- и n-областях p-n-структуры W_cn – W_cp должна быть равна , так же как и разность энергий дырок, поэтому можно записать:

Концентрация электронов в зоне проводимости n-области выше, чем в p-области, так как минимальная их энергия здесь ниже (на величину ), чем в зоне проводимости p-области. Аналогично, концентрация дырок в валентной зоне p-области выше, чем в валентной зоне n-области.

Непосредственно в области перехода энергетические уровни, как в зоне проводимости, так и в валентной зоне расположены наклонно, что свидетельствует о наличии градиента потенциала, а, следовательно, и электрического поля, которое выталкивает подвижные носители заряда из перехода. По этой причине концентрация электронов и дырок в переходе очень низка.

Полупроводниковый диод.

Устройство диода.

Полупроводниковым диодом называется двух электродный прибор, основу которого составляет p-n-структура, состоящая из областей p-типа и n-типа, разделенных электронно-дырочным переходом (рис.). Одна из областей p-n-структуры, называемая эмиттером, имеет большую концентрацию основных носителей заряда * , чем другая область, называемая базой.

База эмиттер с помощью электродов (Э), образующих омические переходы, соединяются с выводами (В), посредством которых диод включается в электрическую цепь.

Основным структурным элементом полупроводникого диода, определяющим его функциональные свойства, является p-n-переход – тонкий промежуточный слой между p- и n-областями.

Статические вольтамперные характеристики диода.

Статическая вольтамперная характеристика полупроводникового диода показана на рис. Здесь же пунктиром нанесена теоретическая вольтамперная характеристика электронно-дырочного перехода. Для наглядности обратная ветвь характеристики изображена в более крупном масштабе по току и в более мелком – по напряжению по сравнению с прямой ветвью.

В области малых токов реальная и теоретическая характеристики совпадают. Но при больших прямых токах, а также при высоких обратных напряжениях характеристики расходятся, что является следствием ряда причин, не учтенных при теоретическом анализе процессов в электронно-дырочном переходе.

В области больших прямых токов вследствие значительного падения напряжения на распределенном сопротивлении базы диода и сопротивлении электродов напряжение на электронно-дырочном переходе будет меньше напряжения U, приложенного к диоду, в результате чего реальная характеристика оказывается расположенной ниже теоретической и почти линейной.

Уравнение вольтамперной характеристики в этой области можно записать в виде:

,

где r _б – электрическое сопротивление базы, электродов и вывода в диоде.