Электронно-дырочный переход (р-n-переход)

Основным элементом структуры большинства типов полупроводниковых прибо­ров является электрический переход — переходный слой в полу­проводниковом материале между двумя областями с различными типами электропроводности или разными значениями удельной электропроводимости.

Электрический переход между двумя областями полупроводни­ка, одна из которых имеет электропроводность p- типа, а другая — n- типа, называют электронно-дырочным переходом или р-п- переходом. Создать p-n- переход механическим соединением двух полупро­водников с различным типом электропроводности невозможно, электронно-дырочные переходы получают путем введения в полу­проводник донорной и акцепторной примесей таким образом, чтобы одна часть полупроводника обладала электронной, а другая — дырочной электропроводимостью (рисунок 5.3).

Основные носители заряда в полупроводнике n- типа — элек­троны (обозначенные знаком минус), а в полупроводнике p- типа — дырки (обозначенные знаком плюс). Ионизированные атомы донорной и акцепторной примеси обозначены соответственно знака­ми плюс и минус в кружочках. Неосновные носители в электрон­ном и дырочном полупроводниках не обозначены, так как их кон­центрация очень мала в сравнении с концентрацией основных но­сителей.

Условно будем считать, что п- и р- полупроводники приведены в идеальное соприкосновение. Так как в n- полупроводнике много электронов, а в p- полупроводнике много дырок, между полупро­водниками начнется интенсивный обмен носителями заряда. За счет разности концентраций электроны из полупроводника n -типа диффундируют в полупроводник p- типа, оставляя в приконтактной области полупроводника n- типа некомпенсированный положи­тельный заряд ионов донорной примеси.

Дырки, в свою очередь, диффундируют в полупроводник n- типа, в результате чего в приконтактном слое полупроводника р -типа воз­никнет отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Таким образом, область раздела полупроводников n- и р -типа окажется обедненной свободными носителями заряда и, несмотря на малую ширину (δ = 10^-6 − 10^-8 м), будет обладать большим сопротивлением, во много раз превышающим сопротивление остальной части полу­проводников. Наличие отрицательного и положительного объем­ного зарядов приводит к образованию электрического поля, кото­рое препятствует дальнейшему диффузионному потоку носителей зарядов. В равновесное состояние система приходит при условии равенства потоков свободных носителей заряда, вызванных гради­ентом их концентраций и электрическим полем объемного заря­да. Теперь рассмотрим, что произойдет, если к p-n- переходу приложить внешнее напряжение. Пусть к p- области присоединен положительный полюс питания, а к n- области — отрицатель­ный. Такое внешнее поле будет направлено навстречу электриче­скому полю, обусловленному объемными зарядами. При этом основные носители заряда в р- и n- полупроводниках, имеющие наибольшую энергию, получают возможность проникать через обедненный слой в области, где они оказываются неосновными но­сителями заряда и рекомбинируют. Такое направленное движение носителей заряда является электрическим током, и можно сказать, что электронно-дырочный переход при такой полярности внеш­него напряжения будет «открыт» и через него потечет прямой ток.

При смене полярности внешнего напряжения электрическое по­ле объемных зарядов и внешнее поле будут совпадать по направле­нию. В результате действия суммарного электрического поля ос­новные носители будут двигаться от перехода и пересечь переход смогут только неосновные носители. Так как количество неоснов­ных носителей во много раз меньше основных, то и ток, ими обу­словленный, будет мал по сравнению с тем, который получится при прямом включении. При данном включении электронно-дырочный переход «заперт» и через него может протекать только малый обратный ток неосновных носителей.

Рис. 5.3. Распределение носителей заряда в областях полупроводника с p- и n- типами проводимости: а — отдельные области; б — области в одном кристалле при отсутствии внешнего электрического поля; в — внешнее поле направлено навстречу диффузному; г — внешнее поле совпадает по направлению с диффузионным.

На рисунке 5.4 показана зависимость между тoком, текущим через p-n- переход, и внешним напряжением, которая называется вольт-амперной характеристикой.

Рисунок 5.4 Вольт-амперная характеристика электронно-дырочного перехода

По фазовому состоянию и компонентному составу исходной фазы методы получения монокристаллов делятся на три группы:

■ выращивание из расплава;

■ выращивание из раствора;

■ выращивание из газовой фазы.

Существует несколько групп методов выращивания монокристаллов из газовой фазы:

■ молекулярных пучков (напыление, сублимация);

■ химических реакций;

■ химического переноса.