Для полного понимания материала рекомендуется ознакомится с предыдущей статьёй - Основы зонной теории твёрдых тел.
Во всех полупроводниковых приборах (диоды, транзисторы, тиристоры, и т.д.) используется свойство односторонней проводимости p-n-переходов.
Электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называется переход, образованный двумя областями полупроводника с разными типами проводимости - электронной и дырочной.
P-n-переход получают тремя способами:
- Сплавлением - монокристалл нагревают до температуры плавления примеси и сплавляют с примесью, после чего полученный p-n-переход охлаждают, при этом происходит рекристаллизация и образование перехода.
- Эпитаксиально - с помощью химического слоя с добавлением лигирующих веществ на монокристаллическую пластинку наращивается монокристаллический слой примеси.
- Планарно - метод заключается в нанесении фоторезистивного слоя (вещество, чувствительное к действию света) на кристалл и полимеризацией слоя под действием света, после чего происходит удаление плёнки диоксида кремния с поверхности без фоторезистивного слоя, а в образовавшихся окнах производится диффузия примеси.
Так как области имеют разный тип проводимости, и, следовательно, разную концентрацию электронов и дырок, то возникает диффузия (диффузия - движение носителей зарядов под действием градиента концентрации) носителей зарядов из области в область. Носители зарядов диффундируют в ту область, где их концентрация меньше - дырки движутся из p-области в n-область, а электроны из n-области в p-область.
Попадая в противоположную область, электроны и дырки становятся неосновными носителями зарядов и рекомбинируют, образуя слой, обеднённый носителями зарядов.
Таким образом, при сплавлении полупроводников образуется область объемного заряда на границе раздела, при этом возникает барьерный слой с собственным электрическим полем, препятствующим диффузии носителей заряда из области в область.
При этом дрейф (дрейф - направленное движение носителей зарядов под действием внешнего электрического поля) носителей заряда компенсируется их диффузией и возникает динамическое равновесие p-n-перехода.
P-n-переход характеризуется высотой потенциального барьера и шириной перехода:
Высотой потенциального барьера называется разность потенциалов в переходе, определяемая градиентом концентрации носителей зарядов.
Шириной p-n-перехода называется ширина области, обеднённой носителями зарядов. Её величина равна ширине обеднённой области в p- и n-слое.
При воздействии на p-n-переход внешнего напряжения, переход выходит из равновесия:
- При приложении положительного напряжения ("+" источника подключён к p-области, "-" - к n-области) величина потенциального барьера уменьшается на величину приложенного напряжения и ширина p-n-перехода уменьшается, вследствие чего ускоряется процесс диффузии.
Дырки, перешедшие из p-области в n-область, становятся неосновными носителями заряда - процесс инжекции из p- в n-область. При этом ток, протекающий через p-n-переход, называется диффузионным.
При увеличении приложенного напряжения, потенциальный барьер уменьшается еще сильнее, а ток возрастает экспоненциально:
- При воздействии обратного смещения высота потенциального барьера увеличивается на величину приложенного напряжения, а ширина перехода увеличивается, вследствие чего процесс диффузии полностью прекращается.
Через p-n-переход при этом протекает только тепловой обратный ток, обусловленный дрейфом неосновных носителей зарядов, который возникает в процессе термогенерации:
При воздействии отрицательного напряжения на p-n-переход, концентрация неосновных носителей зарядов вблизи перехода снижается, вследствие чего возникает диффузия неосновных носителей из p- и n-области к границе раздела. Так как на границе действует сильное электрическое поле, неосновные носители зарядов, достигнув её, попадают в сильное ускоряющее поле и переносятся в глубь областей, где "живут" на длине свободного пробега (длина свободного пробега - среднее расстояние, которое проходят носители зарядов с заданной энергией), после чего рекомбинируют - этот процесс называется экстракцией неосновных носителей зарядов.
Тепловой ток очень мал, поэтому можно сказать, что p-n-переход обладает односторонней проводимостью и способен проводить электрический ток только при прямом смещении перехода.
В следующей статье будут разобраны виды и типы полупроводниковых диодов, из применения и схемы.
