Образование p-n. Обычный полупроводниковый диод

а

б

При наличии внутри одного кристалла германия соседних областей из электронного и дырочного полупроводников на границе их раздела возникает p - n -переход (рис 3, а), образую­щийся следующим образом.

в

е

д

г

Как было показано вы­ше, материал n -типа имеет подвижные электроны и рав­ное число фиксированных положительных ионов донорной примеси, а материал p -типа содержит подвижные положительные заряды-дыр­ки и неподвижные отрицательные заряды в виде иони­зированных атомов акцепто­ров. При контакте этих двух материалов с разным типом проводимости электроны из n -области будут переходить в p -область, а дырки — из p -области — в n -область вследствие разности их кон­центраций в этих областях. Уход электронов из приконтактной области электронно­го материала и дырок из приконтактной области ды­рочного материала приведет к обеднению этих участков подвижными носителями и появлению нескомпенсированного положительного заряда от ионизированных атомов доноров в приконтактной области n -типа материала и отрицательного заряда от ионизированных атомов акцепторов в приконтактной области материала p -типа. В результате в месте контакта образуется двойной электрический слой (рис. 3,б). Это приведет к возникновению разности потенциа­лов в приконтактном слое такого направления (рис. 3,в), что она будет препятствовать дальнейшему переходу подвижных зарядов из одной области материала в другую, т. е. электро­нов из n -типа материала в материал p -типа и дырок из p -материала в n -материал, так что в состоянии равновесия ток че­рез p - n -переход будет равен нулю. Так как приконтактный слой обеднен подвижными носителями,то он будет обладать повышенным электрическим сопротивлением, вследствие чего получил название запирающего слоя p - n -перехода.

При подаче на p - n -переход внешнего напряжения можно управлять величиной внутренней разности потенциалов в пе­реходе и тем самым менять условия прохождения тока через него. Если минус внешнего источника приложить к материалу n -типа, а плюс — к материалу p -типа, то величина внутреннего потенциального барьера уменьшится на величину внешнего напряжения, что создаст условия для перехода электронов и дырок в p - и n -области соответственно. Через переход потечет ток.

Данное направление называется пропускным. При смене полярности внешнего напряжения (минус к p -области, а плюс к n -области) внутренний потенциальный барьер в p - n -переходе возрастет на величину напряжения внешнего источника, что приведет к прекращению потока электронов из материала n -типа в материал p -типа и обратного потока дырок. Такое направление называется запирающим.

Энергетические диаграммы зон p - n -перехода (при отсутст­вии и наличии внешнего напряжения) приведены на рис. 3, г — 3, е. Состояние термодинамического равновесия элек­тронов по обе стороны p - n -перехода характеризуется энерге­тическим равенством уровней Ферми в обеих частях материа­ла. Таким образом, уровень Ферми при отсутствии внешнего смещения (см. рис. 3, г) будет одинаковым для n- и p -областей. При этом границы зон в приконтактной области изогнут­ся на величину контактной разности потенциалов, величина ко­торой будет равна разности в положениях уровней Ферми в изолированных электронном и дырочном полупроводниках.

Внешнее смещение в пропускном направлении уменьшает внутренний потенциальный барьер на величину напряжения смещения (рис. 3, д), что создает условия для диффузии элек­тронов и дырок в p и n -области соответственно. При этом электроны из зоны проводимости n -материала попадают в зону проводимости (т. е. в ту же самую зону) p -материала, а дырки из валентной зоны p -материала попадают в валентную же зону p -материала. Этим обычный диод отличается от тун­нельного диода, где, как будет показано ниже, переход носи­телей через потенциальный барьер связан с изменением зоны их нахождения до и после перехода, что и обусловливает ряд отличительных свойств туннельного диода.

В случае внешнего напряжения обратной полярности внут­ренний потенциальный барьер увеличится (рис. 3, е), препят­ствуя диффузии основных носителей, и диод будет заперт.

Основными называются носители, определяющие тип проводи­мости полупроводника, т. е. электроны для n -материала и дыр­ки для p -материала. Но в каждом из этих полупроводников, кроме основных носителей, имеются еще и носители противо­положного знака, которые называются неосновными. Это дыр­ки в электронном полупроводнике и электроны в дырочном полупроводнике. Причиной их появления служит тепловая генерация, создающая носители обоих знаков и наличие в каждом полупроводнике, кроме определяющей примеси (донорной для n -материала и акцепторной для p -материала), еще и небольшого количества примеси противоположного харак­тера (из-за несовершенной очистки материала). Так как для неосновных носителей обратное смещение на переходе будет пропускным, то через переход будет течь небольшой обратный ток, величина которого определяется концентрацией не­основных носителей в полупроводнике.