Твёрдые вещества по их способности проводить электрический ток делятся на три группы: проводники (металлы), диэлектрики (изоляторы) и полупроводники. По способности проводить электрический ток и зависимости электропроводности от температуры полупроводники значительно ближе к диэлектрикам, чем к проводникам. Причины такого сходства диэлектриков и полупроводников в построении их атомной структуры.
Атом вещества состоит из ядра и вращающихся вокруг него электронов. Ядро имеет положительный заряд, а электроны — отрицательный. Электроны в атоме группируются в оболочки, находящиеся на некоторых расстояниях от ядра. Электроны внешней оболочки связаны с ядром значительно слабее электронов внутренних оболочек. Такие электроны называются валентными, и они обеспечивают соединение атомов в молекулы или кристаллы.
В проводниках электронные оболочки атомов сильно перекрываются и валентные электроны перестают быть жёстко связанными с какими-либо определёнными атомами. Такие электроны могут свободно перемещаться в объёме вещества, совершая при отсутствии внешнего электрического поля хаотическое тепловое движение. При наличии внешнего электрического поля эти электроны получают некоторое поступательное движение и образуется электрический ток.
Число свободных электронов в металлах достаточно велико и практически не зависит от температуры. Однако с повышением температуры увеличивается число столкновений электронов при их тепловом перемещении и электропроводность металлов понижается.
В диэлектриках электроны внешней оболочки достаточно жестко связаны с ядром и не могут свободно перемещаться даже при повышении температуры. Поэтому внешнее электрическое поле не приводит к появлению в диэлектриках заметного электрического тока. Однако при высокой напряжённости электрического поля может произойти, отрыв валентных электронов и их лавинное размножение, называемое пробоем диэлектрика.
Химически чистые полупроводники три температуре абсолютного нуля ведут себя как диэлектрики и их электропроводность равна нулю. Однако с повышением температуры тепловые колебания атомов полупроводников приводят к увеличению энергии валентных электронов, которые могут оторваться от атомов и начать свободное перемещение. Поэтому при нормальной комнатной температуре полупроводники в отличие от диэлектриков имеют некоторую электропроводность. С повышением температуры растёт число оторвавшихся электронов, поэтому электропроводность полупроводников повышается. Такую электропроводность полупроводников, связанную с нарушением валентных связей, называют их собственной проводимостью.
На электропроводность полупроводников сильно влияют примеси. При наличии примесей появляются избыточные валентные электроны, которые легко освобождаются от атомов и превращаются в свободные заряды. Содержание примесей может быть весьма незначительным, однако повышение электропроводности при этом может быть весьма значительным.
Электропроводность полупроводников, обусловленную наличием примесей, называют его примесной проводимостью. Последняя может во много раз превышать их собственную проводимость.
Электронно-дырочный переход — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводимостью. Условно электронно-дырочный переход обозначаетсяp-n, независимо от последовательности расположения областей проводимости полупроводника, т.е. n-p или p-n. Электронно-дырочный переход создают внутри полупроводника введением в одну его область донорной, а в другую акцепторной примеси. Слой p-n перехода очень тонкий (порядка нескольких микрон) и его сопротивление не подчиняется закону Ома, т.е. сопротивление слоя перехода изменяется как от величины, так и от знака, приложенного к нему напряжения.
По конструктивному исполнению переходы могут быть плоскостными и точечными. Плоскостным называют переход, у которого линейные размеры, определяющие его площадь, намного превышают его толщину. При малых линейных размерах контактирующей площади переходы относят к точечным.
В зависимости от степени легирования областей полупроводника, т.е. от концентрации основных носителей, различают симметричные и несимметричные электронно-дырочные переходы. В симметричных переходах концентрация носителей в областях полупроводника почти одинакова (pp = nn). В несимметричных переходах концентрации могут различаться во много раз (pn << nn,pp >> nn).
Различают три состояния p-n перехода: равновесное, пропускное и запирающее. Равновесное состояния p-n перехода наблюдается, если к p-n переходу не приложено внешнее напряжение.
В каждом типе полупроводника всегда имеются два вида носителей тока: основные и не основные. Основными носителями тока называются носители, составляющие большинство и определяющие тип проводимости полупроводника. Например, в области типа p основные носители зарядов — дырки, а не основные — электроны; в области типа n основные носители зарядов — электроны, а не основные — дырки. Концентрация неосновных носителей зарядов очень мала — примерно в 1 000 раз меньше концентрации основных носителей. Дырки из области типа p диффундируют в область типа n, создавая вблизи границы отрицательный потенциал, а электроны, диффундируя из области типа n в область типа p, создают вблизи границы отрицательный потенциал. В результате диффузии основных носителей заряда между электронной и дырочной областям полупроводника вблизи границы их раздела возникает область объёмного заряда из двух разноимённых заряженных слоёв (рис. 3.1).
Таким образом, диффундировавшие заряды создают в p-n переходе собственное электрическое поле, направленное из n области в p область. Возникшее диффузионное поле является запирающим — оно препятствует дальнейшей диффузии зарядов и является тормозящим для основных носителей зарядов, поэтому его иначе называют потенциальным барьером.
Пропускное состояние p-n перехода (прямое включение p-n перехода)
Прямым является такое включение p-n перехода, при котором плюс внешнего источника питания прикладывается к p области, а минус к n области (рис. 3.2); p-n переход находится в пропускном или открытом состоянии.
Электрическое поле, создаваемое внешним источником, имеет направление, противоположное собственному электрическому полю. В результате уменьшается потенциальный барьер перехода на величину внешнего напряжения.
В этом режиме часть основных носителей заряда с наибольшим значением энергии будет преодолевать понизившийся потенциальный барьер и проходить через p-n переход. В переходе нарушается равновесное состояние и появляется диффузия основных носителей. Дырки и электроны будут перемещаться навстречу друг другу. Образуется ток диффузии:
I = h + 1д.
где I—ток диффузии; 1э — электронная часть тока; I — дырочная часть тока.
Направление тока через p-n переход соответствует движению положительных зарядов — дырок, а во внешней цепи — от плюса к минусу источника питания.
Область полупроводника, в которую происходит инжекция неосновных носителей, называется базой полупроводникового прибора, а область, в которую осуществляется инжекция, — эмиттером.
Запирающее состояние p-n перехода (обратное включение p-n перехода)
Запирающее состояние перехода получается в том случае, когда к p области подключён минус источника питания, а к n области—плюс (рис. 3.3). В этом случае потенциальный барьер увеличивается на величину внешнего напряжения. Увеличивается и напряжённость собственного электрического поля, так как поле внешнего источника совпадает с собственным полем. Высота потенциального барьера возрастает, вследствие чего плотность потока основных носителей через переход уменьшится. Для неосновных носителей, т.е. для дырок в n области и для электронов в p области, потенциальный барьер в переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда будут втягиваться электрическим полем источника в p-n переход и проходить через переход в смежную область (будет происходить экстракция носителей зарядов).
Потенциальный барьер могут преодолеть лишь некоторые основные носители с большой энергией, и диффузионный ток практически отсутствует. Ток через переход имеет обратное направление — от электронной области к дырочной, а во внешней цепи, как всегда, от плюса источника питания к минусу. Обратный ток создаётся за счёт движения (дрейфа) неосновных носителей, для которых данное поле ускоряющее. Это ток дрейфовый, величина его мала из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к p-n переходу областях. Сопротивление и ширина запирающего слоя значительно возрастают, так как в p-n переходе практически отсутствуют основные носители зарядов.
Виды пробоев электронно-дырочного перехода
Пробой электронно-дырочного перехода — это явление резкого увеличения обратного тока при достижении обратным напряжением критического значения, переход теряет свойство односторонней проводимости. В зависимости от физических явлений, приводящих к пробою, различают три вида пробоя p-n перехода.
Рис. 3.4. Пробой p-n перехода
Лавинный пробой. При некотором обратном напряжении, близком к критическому, неосновные носители зарядов ускоряются полем перехода и приобретают энергию, достаточную для возбуждения и ударной ионизации в переходе атомов слаболегированного полупроводника. Процесс ионизации нейтральных атомов сопровождается разрывом валентных связей и образованием новых свободных пар электрон-дырка. В результате ударной ионизации этот процесс может многократно повториться под действием новых свободных носителей заряда. В результате образование новых пар приобретает лавинный характер, перерастая в пробой p-n перехода. Лавинный пробой характеризуется быстрым ростом обратного тока (рис. 3.4, кривая 1) при практически неизменном обратном напряжении.
Зеннеровский пробой — вызывается чрезмерным возрастанием напряжённости электрического поля в переходе. Обратный ток возрастает, поскольку электрическое поле большой напряжённости вырывает электроны из ковалентных связей, а это приводит к увеличению концентрации носителей зарядов в переходе.
Зеннеровский и лавинный пробои электрические. Они не разрушают электронно-дырочный переход, при уменьшении напряжённости поля в переходе эти пробои прекращаются.
Тепловой пробой p-n перехода. При электрическом пробое происходит увеличение тока. Если этот ток не ограничить, то под действием выделившегося тепла начнёт разрушаться p-n переход, т.е. наступит тепловой пробой. Этот процесс необратимый. Один из важнейших параметров полупроводниковых приборов с p-n переходами — допустимое обратное напряжение, при котором сохраняется свойство односторонней проводимости. Превышение величины обратного напряжения может привести к необратимому тепловому пробою p-n перехода и, следовательно, к выходу из строя полупроводникового прибора. Пробивное напряжение при тепловом механизме пробоя уменьшается с ростом температуры окружающей среды и ухудшением условий теплоотвода. Чем меньше обратный ток в переходе, тем выше пробивное напряжение. Например, кремниевые переходы имеют очень малые тепловые токи. Поэтому тепловой пробой у них менее вероятен.
Емкость p-n перехода
По обе стороны границы электронно-дырочного перехода действуют различные по знаку объёмные электрические заряды. Значение объёмных зарядов в самом переходе и за его пределами зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу. В связи с этим в электронно-дырочном переходе различают ёмкости двух видов. Одна из них Сп называется барьерной ёмкостью, так как зависит от величины потенциального барьера, приложенного к p-n переходу. Барьерная ёмкость может быть определена как ёмкость плоского конденсатора, в котором диэлектриком служит запирающий слой, а обкладками токопроводящие слои p и n областей перехода. С увеличением обратного напряжения расширяется запирающий слой и ёмкость уменьшается. Для уменьшения ёмкости следует уменьшить площадь p-n перехода.
Помимо барьерной ёмкости, в переходе имеется диффузионная ёмкость С обусловленная явлением диффузии, т.е. накоплением неосновных носителей в p и n областях, что равноценно наличию ёмкости в p-n переходе. Диффузионная ёмкость зависит от значения прямого тока в переходе, времени жизни неосновных носителей. С увеличением прямого напряжения увеличивается прямой ток в переходе, следовательно, и избыточная концентрация неосновных носителей зарядов. Чем больше время жизни неосновных носителей, тем дольше существует избыточный заряд и больше диффузионная ёмкость.
При прямом смещении перехода преобладающее значение имеет диффузионная ёмкость перехода, а при обратных — барьерная. На низких частотах диффузионная ёмкость может достигать тысяч пикофарад и превышать барьерную, а на высоких — оказаться ниже барьерной из-за инерционности процесса накопления зарядов в областях.
Обе ёмкости — барьерная и диффузионная — параллельно включённые запирающему сопротивлению перехода.
Эквивалентная схема p-n перехода приведена на рис. 3.6, где R — сопротивление материала полупроводника, а Rn — сопротивление слоя p-n перехода.