P-n переходы. P-n переходы

В громадном большинстве полупроводниковых приборов используется р-п переход (только иногда р-п переход не нужен, например, в фотосопротивлениях, или диодах Ганна). Поэтому сегодня мы рассмотрим принцип его работы.

Итак, р-п переход — это структура, содержащая дырочную и электронную области полупроводника. Причём эти области получены в единой структуре за счёт диффузии доноров или акцепторов. Но мы условно будем считать, что эти области сначала существовали раздельно, а затем были объединены. Итак, есть две области, электронная и дырочная:

Мы может построить зонные диаграммы для этих кусков полупроводника:

Они одинаковы, так как полупроводник один и тот же, но уровни Ферми находятся на разной высоте, так как слева полупроводник п-типа, и уровень Ферми выше середины запрещённой зоны, а справа полупроводник р-типа, и уровень Ферми ниже середины. Если теперь соединить эти куски, то электроны, которых слева много, будут диффундировать направо, а дырки, которых много справа, будут диффундировать налево (указано стрелками). Это приводит к тому, что левая часть структуры заряжается положительно, а правая — отрицательно.

Но при этом энергия электрона слева будет уменьшаться, а справа будет увеличиваться, т. е. произойдёт сдвиг левой части диаграммы вниз, а правой — вверх. Этот процесс должен закончиться, когда совпадут положения уровней Ферми в левой и правой части полупроводника:

Е —;

(в равновесии уровни Ферми в разных частях сложной системы совпадают). Ну, а на самом деле, между левой и правой частью полупроводника появляется электрическое поле, направленное от плюса к минусу, т. е. так, как указано на рис. Это электрическое поле вызывает возникновение дрейфового тока, направленного так, что электроны текут справа налево, а дырки — наоборот. Чем больше электрическое поле, тем больше этот ток. В конце концов он уравновесит диффузионный ток, так как он по направлению ему противоположен. Установится равновесие (одновременно существуют два диффузионных тока — электронов и дырок — и два дрейфовых тока, которые все между собой равны).

Теперь рассмотрим количество носителей заряда (электронов и дырок). Слева и справа, где зонная диаграмма горизонтальна, они велики, так как уровни Ферми близки к соответствующим границам зон. А там, где эти границы искривляются, уровень Ферми удаляется от одной границы и приближается к другой. Из рис. видно, что в области п-типа электронов становится гораздо меньше, чем было в левой части. А в области р-типа дырок значительно меньше, чем было в правой части.

Но левая часть нейтральна, так как в ней есть ещё и заряды ионов — атомов доноров. Эти атомы жёстко закреплены в узлах кристаллической решётки, и не могут двигаться, т. е. не переносят ток. Но их количество строго равно количеству электронов, поэтому в этой области нет зарядов (сама диаграмма говорит об этом: если линии энергетических уровней горизонтальны, то нет электрического поля, значит нет зарядов, или их сумма с учётом знака равна нулю). То же самое можно сказать и о правой части полупроводника: количество дырок и акцепторов в ней одинаково, хоть и велико, но полный заряд равен нулю.

Совсем другое можно сказать о средней области полупроводника, где зоны искривлены. Количество неподвижных зарядов, доноров и акцепторов, неизменно и велико. А электронов и дырок из-за увеличения расстояния между границами зоны и уровнем Ферми во много раз уменьшается. Поэтому в этой области есть заряды, и практически они равны зарядам неподвижных доноров и акцепторов:

Практически это прямоугольники, так как электронов и дырок в этой области пренебрежимо мало. На рис. прямоугольники разные, так как плотность доноров слева меньше, чем акцепторов справа (обратить внимание на положение уровня Ферми). Но площади прямоугольников должны быть строго равны, так как полные заряды слева и справа равны. Поэтому в данном случае.

ln > lp .

Введём понятие области объёмного заряда (ООЗ). Это область, в которой есть заряд, или в которой изменяются энергетические зоны. Ширина этой области.

где о — мировая константа, равная 1/(9*109) фм ,.

п — диэлектрическая постоянная полупроводника, о — контактная разность потенциалов, т. е. другими.

словами высота потенциального барьера, делённая.

на заряд одного электрона, В,.

NА — совокупная концентрация, определяемая формулой:

NА = Nд Nа /(Nд +Nа).

где Nд — концентрация доноров в куске п-типа проводимости, а.

Nа — концентрация акцепторов в куске р-типа проводимости.

Из этой формулы видно, что NА ближе к той концентрации, которая меньше (если например Nд меньше, то ею можно пренебречь в знаменателе по сравнению с Nа, затем это Nа можно сократить, и останется только Nд).

Кстати, поэтому толщина всей ООЗ определяется той частью, у которой заряд меньше, так как она толще.

Электрическое поле можно определить по этой зависимости заряда от координаты. Просто надо взять интеграл от заряда. Получится кривая:

Ясно, что электрическое поле нарастает, причём растёт оно по прямой, так как плотность заряда постоянная, дорастает до Емакс, а затем падает до нуля, так как далее заряд имеет другой знак.

Электрический потенциал также находится интегрированием электрического поля, при этом ясно, что потенциал поведёт себя так: горизонтально, где нет зарядов, (есть нейтральность); и параболически, где есть постоянный заряд и линейный рост электрического поля. Точно также ведёт себя и энергетический уровень, так как он определяется как произведение заряда электрона на напряжение (правда следует учитывать, что заряд электрона отрицательный, и потенциаль отразится относительно горизонтали).

Что же произойдёт с р-п переходом при приложении к нему напряжения?

Это зависит от того, куда приложен плюс, а куда минус. Считается, что если плюс приложен к р-области, а минус — к п-области, то это прямое смещение р-п перехода, а если наоборот, то это обратное смещение р-п перехода.

При прямом смещении р-п перехода (плюс к р-области) энергия электрона в р-области увеличивается, эта часть зоны на энергетической зоне поднимается, а в п-области — понижается, и п-область понижается. Поэтому потенциальный барьер уменьшается. Также уменьшается и ширина области объёмного заряда согласно формуле:

Итак, в р-п переходе имеется диэлектрическая область, которая при прямом смещении уменьшается по толщине. Поэтому сопротивление этой области значительно уменьшается.

При обратном смещении (плюс к п-области) энергия электрона уменьшается в п-области, эта область в зоне перемещается вниз, а р-зона — вверх. Высота барьера увеличивается, а также, согласно приведенной выше формуле, растёт ширина области пространственного заряда (следует иметь ввиду, что в этом случае в формулу подставляется отрицательное U). Т. е. в этом случае диэлектрическая прослойка внутри р-п перехода растёт, и сопротивление структуры увеличивается с ростом (по модулю) напряжения.

Более строгое теоретическое рассмотрение даёт такую формулу:

где I — ток, протекающий через р-п переход;

Is — некоторая постоянная, имеющая размерность тока, определяется свойствами материала пи р-типа электропроводности. Кривая, соответствующая этой формуле, представлена на рис.:

Р-п переход, или полупроводниковый диод, имеющий такую вольтамперную характеристику, используется для выпрямления электрического тока, как полученного из различных антенн, так и сетевого. Кроме того, он широко используется в других полупроводниковых устройствах, где используется 3, 4 или гораздо больше р-п переходов, что мы рассмотрим позже. Сейчас надо рассмотреть реальные характеристики р-п переходов.

Реальные характеристики сильно отличаются от идеальных. Так, в прямой ветви есть несколько отличий от идеальности, но главное, это то, что экспонента простирается только до напряжения Uп. При U>Uп потенциальный барьер полностью исчезает, и, значит, сопротивление р-п перехода становится равным только сопротивлению пи робластям, а сопротивление прослойки исчезает. Поэтому при U>Uп ВАХ линейна, см. рис.

Итак, в прямой ветви до U0 сохраняется идеальная кривая (экспонента), а после — она заменяется на прямую.

В обратной ветви кроме экспоненты, которая довольно быстро приводит к насыщению, есть ещё и другой ток, вызванный генерацией носителей в области объёмного заряда. Дело в том, что при комнатной температуре (и тем более при повышенных температурах) в полупроводнике всегда рождаются электроны и дырки (термогенерация). Обычно они, немного поблуждав по полупроводнику, встречаются и гибнут (рекомбинация).

Но те электроны и дырки (пары), которые родились в слое объёмного заряда, не успевают погибнуть, так как там есть электрическое поле, которое растягивает их в разные стороны. Но тогда, как показано на рис., через р-п переход протечёт элементарный точёк. Чем больше толщина слоя обёмного заряда, тем больше суммарный ток.

Так что к обычному току насыщения, который существует в р-п переходе, добавляется ещё ток, пропорциональный толщине слоя объёмного заряда, то есть корню квадратному от обратного напряжения.

В разных диодах, приготовленных из разных полупроводников, толщина слоя объёмного заряда различная, и поэтому относительная величина этого вклада неодинакова. Обычно в германиевых р-п переходах этот вклад меньше, а в кремниевых р-п переходах больше, и в реальных кремниевых диодах обратный ток практически всегда пропорционален корню квадратному из модуля напряжения (приближённо).

Но в обратном направлении есть и ещё некоторые особенности, связанные с тем, что на р-п переходе падает большое напряжение. Поэтому при достижении некоторого напряжения наступает электрический пробой полупроводника.

Мы рассмотрим только один из возможных механизмов пробоя — лавинный. В этом случае при достаточно большой напряжённости электрического поля электрон в зоне проводимости, или дырка в валентной зоне могут разогнаться за время между соударениями с какими-то дефектами до энергии, достаточной для рождения новых электрона и дырки. Так вместо одного электрона (дырки) стало три частицы. Каждая из этих частиц тоже можут разогнаться до такой большой скорости и утроиться. Если напряжённость электрического поля увеличивается, то лавинообразный процесс увеличивается — утроение происходит дольше и количество частиц сильно увеличивается. На вольтамперной характеристике это соответствует почти вертикальному участку — напряжение не изменяется, а ток сильно растёт.

Дальше наступает тепловой пробой, т. е. получается так, что с ростом тока поднимается температура диода, это приводит к увеличению концентрации за счёт термогенерации, растёт ток, а это приводит к новому росту температуры и так далее, пока образец не сгорит. На этом участке вольтамперная характеристика имеет отрицательный наклон — динамическое сопротивление отрицательно.

К другим параметрам р-п перехода относится паразитная ёмкость диода. Она получается из-за того, что в р-п переходе всегда есть область объёмного заряда, то-есть область, в которой всегда есть заряд. Этот заряд зависит от приложенного напряжения, т. е. это и есть обычный конденсатор. Но в отличие от обычного конденсатора р-п переход имеет ёмкость, которая зависит от напряжения. Поэтому удобнее рассматривать не ёмкость, а динамическую ёмкость р-п перехода:

Эта ёмкость играет роль при обратном напряжении и называется барьерной. Очевидно, чем больше обратное напряжение, тем больше l и тем меньше СД. При прямом смещении СД тоже существует, но значительно большую роль играет диффузионная ёмкость, которая возникает из-за того, что происходит диффузия электронов и дырок в области с противоположным типом электропроводности. Однако рассмотрение этой ёмкости более сложное, и мы не будем её рассматривать.

Мы рассмотрели реальные свойства полупроводникового диода. А теперь рассмотрим применения диода.

Самое простое и очевидное применение р-п перехода — это использование его в качестве выпрямителя. Но здесь важно отметить, зачем делается выпрямление электрического тока. Прежде всего это выпрямление переменного тока для питания различной аппаратуры постоянным током. Это обычно 50 Гц или 60 Гц — довольно низкая частота. Поэтому быстродействие от этих диодов не требуется, но требуется пропускание довольно большого тока, достигается за счёт большой поверхности р-п перехода. Это так называемые силовые диоды.

Выпрямление тока происходит по следующей схеме:

От источника электродвижущей силы ток проходит через диод и затем через сопротивление нагрузки. На сопротивлении нагрузки выделится напряжение, похожее на диаграмму тока, т. е. напряжение будет одного знака, но очень пульсирующим, что недопустимо. Можно, конечно, усложнить схему за счёт использования четырёх диодов, тогда не будет пропусков, но импульсность останется. Поэтому применяют фильтрацию сигнала, в простейшем случае применяют просто конденсатор:

Другая ситуация возникает при использовании диода для выпрямления радиосигнала. Здесь другие частоты — от сотен килогерц до сотен Мегагерц. Поэтому главное требование к диоду — это его высокочастотность. Поэтому диоды делают маленькой площади и даже точечными, чтобы уменьшить их паразитную ёмкость. Здесь ещё остались точечные диоды.

Иногда используют вертикальный участок обратной ветви диода для стабилизации напряжения. Диоды, специально изготовленные для этого, называются стабилитронами. Важно уметь изготавливать стабилитроны на разное напряжение, т. е. сделать р-п переход с нужным значением пробивного напряжения. Этого легко добиться, подбирая нужную степень легирования (концентрацию доноров и акцепторов в пи р-типе).

Паразитная ёмкость р-п перехода не всегда вредна. Иногда, когда ёмкость важна, р-п переход используют в качестве конденсатора. Особенно важно то, что его ёмкость можно регулировать, прикладывая разные обратные напряжения. Специально изготовленные для этого диоды называют варикапами.

Несколько отличные диоды получаются, когда ри п-области сильно легированы, так что уровни Ферми слегка выходят в соответствующие зоны:

Область объёмного заряда очень маленькая, так как велики копцентрации примесей — доноров и акцепторов. Поэтому очень велика вероятность того, что электроны из валентной зоны сразу переходят в зону проводимости (и обратно). В такой структуре при малых напряжениях протекают очень большие токи. При небольших смещениях в прямом направлении высота барьера уменьшается, и исчезает перекрытие валентной зоны и зоны проводимости, ток уменьшается, а затем, когда барьер вовсе исчезает, ток снова растёт. Это так называемый тунельный диод. Его характеристика показана на рис.:

Важная особенность тунельного диода — это то, что он имеет участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением. Это позволяет сделать на нём простой генератор переменного сигнала, причём очень высокочастотный (СВЧ).

Особенно важно то, что р-п переход может взаимодействовать с различными излучениями. Если р-п переход взаимодействует со светом, его называют фотодиодом. переход полупроводник заряд пробой С точки зрения квантовой механики свет можно рассматривать двояко: с одной стороны это электромагнитная волна, а с другой стороны это поток частиц — фотонов. Взаимодействие полупроводника и света удобнее рассматривать с точки зрения фотонов.

Когда фотон попадает в полупроводник, он может столкнуться с электроном валентной зоны. При этом фотон отдаёт электрону и исчезает. Если фотон из видимой части спектра, его энергии вполне достаточно, чтобы произошла фотогенерация электрона и дырки (электрон из валентной зоны переходит в зону проводимости, а в валентной зоне остаётся дырка).

Когда фотон попадает в нейтральную область, то родившиеся пары (электрон и дырка), поблуждав некоторое время, могут встретиться и рекомбинировать. Таким образом, так как время жизни пар мало, эффект очень слабый. Совсем другое дело, если фотон поглотился в области объёмного заряда — тогда родившаяся пара разделяется электрическим полем этой области, так что после поглощения одного фотона через р-п переход пройдёт ток в один заряд.

Если фотодиод включён в коротко замкнутую цепь, то чем больше поток фотонов, тем больше фототок, такие фотодиоды используются для регистрации освещённости.

Если фотодиод включён в разомкнутую цепь, то фотогенерация приведёт к заряду областей: п-область — отрицательно, р-область — положительно. Но при этом уменьшится высота потенциального барьера, а следовательно, величина электрического поля в области объёмного заряда. В конце концов на р-п переходе появится разность потенциалов, равная контактной разности потенциалов Un, и дальнейшее разделение пар фотогенерации прекратится.

Это обычно используется в солнечных батареях, где собирается в общую батарею большое количество дешёвых кремниевых диодов большой площади. Контактная разность потенциалов их составляет 0,6…0,7 В.

Полупроводниковые диоды используют также в качестве излучателей света — это так называемые светодиоды. К сожалению ни германий, ни кремний не могут излучать фотоны, так как они непрямозонные. Прямозонные полупроводники изображены слева (например AsGa), а Ge и Si справа В германии и кремнии боковой минимум расположен несколько ниже основного, и его заполняют электроны, поэтому они могут рекомбинировать только с выделением энергии и импульса, а в AsGa зоны прямые, и рекомбинация происходит без выделения импульса (выделяется только энергия). Поэтому в германии и кремнии выделяются фононы (имеющие примерно такой импульс), а в арсениде галлия — фотоны (не имеющие импульса).

Но в арсениде галлия длина волны излучения больше 1 мкм, т. е. он излучает в инфракрасной области спектра. Подходящая длина волны получается в фосфиде галлия, так как у него более широкая запрещённая зона, и это соответствует видимому свету.