ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

       

(р — n-переход), область полупроводника, в к-рой имеет место пространств. изменение типа проводимости от электронной n к дырочной p. Т. к. в р-области Э.-д. п. концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из р-области стремятся диффундировать в re-область, а эл-ны — в р-область. После ухода дырок из р-области в ней остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода эл-нов в n-области — положительно заряженные донорные атомы.

Рис. 1. Схема р — n-перехода: чёрные точки — эл-ны, светлые кружки — дырки.

Т. к. акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-д. п. образуется двойной слой пространств. заряда — отрицат. заряды в р-области и положит. заряды в n-области (рис. 1). Возникающее при этом контактное электрич. поле противодействует дальнейшей диффузии осн. носителей тока. В условиях теплового равновесия при отсутствии внеш. электрич. напряжения полный ток через Э.-д. п. равен нулю, т. к. в Э.-д. п. существует динамич. равновесие, при к-ром небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (эл-нами в р-области и дырками в n-области), течёт к границе Э.-д. п. и проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый осн. носителями (эл-нами в n-области и дырками в р-области), благодаря диффузии протекает через Э.-д. п. в обратном направлении. При этом осн. носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между р- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов, или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрич. поле изменяет высоту барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Если положит. потенциал приложен к р-области, то потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число осн. носителей, способных преодолеть барьер. Как только эти носители миновали Э.-д. п., они становятся неосновными. Поэтому концентрация неосновных носителей по обе стороны перехода увеличивается (инжекция неосновных носителей). Одновременно в р- и n-области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих компенсацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через переход, к-рый с ростом напряжения экспоненциально возрастает.

Приложение отрицат. потенциала к р-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. Диффузия основных носителей через Э.-д. п. становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются (для них барьера не существует). Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через Э..-Д. п. течёт ток Is (ток насыщения), к-рый обычно мал и почти не зависит от напряжения. Т. о., зависимость тока I через Э.-д. п. от приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис. 2), т. е. проводимость Э.-д. п. сильно зависит от U. При изменении знака U значение тока через Э.-д. п. может изменяться в 105—106 раз. Благодаря этому Э.-д. п. явл. вентильным устройством, пригодным для выпрямления перем. токов (ПП диод). Зависимость сопротивления Э.-д. п. от U позволяет использовать Э.-д. п. в качестве регулируемого сопротивления (варистора). При подаче на Э.-д. п. достаточно высокого обратного смещения U=Uпр возникает электрич. пробой, при к-ром через переход течёт большой обратный ток. Различают лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объёмного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации атомов, составляющих крист. решётку, и туннельный (з и н е р о в с к и й) пробой, возникающий при туннелировании носителей сквозь барьер (см. ТУННЕЛЬНЫЙ ЭФФЕКТ).

Рис. 2. Вольтамперная хар-ка р — n-переход a: U — приложенное напряжение; I — ток через переход; Is — ток насыщения; Uпр — напряжение пробоя.

От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и электрич. ёмкость Э.-д. п. Действительно, повышение потенц. барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между n- и р-областями полупроводника, и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды неподвижны и связаны с ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением электрич. ёмкости Э.-д. п. При прямом смещении к ёмкости слоя объёмного заряда (наз. также зарядной ёмкостью) добавляется т. н. диффузионная ёмкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на Э.-д. п. приводит к увеличению концентрации основных и неосновных носителей, т. е. к изменению заряда. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать Э.-д. п. в качестве параметрич. диода (варактора) прибора, ёмкостью к-рого можно управлять, меняя напряжение смещения.

Помимо использования нелинейных свойств вольтамперной хар-ки и зависимости ёмкости от напряжения, Э.-д. п. находит многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Их концентрация существенно изменяется при разл. внеш. воздействиях — тепловых, механических, оптических и др. На этом основаны разл. рода датчики (темп-ры, давления, света, ионизирующих излучений (см. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ДЕТЕКТОР) и т. д.). Э.-д. п. используется также для преобразования световой энергии в электрическую (солнечные батареи).

Э.-д. п.— основа разного рода полупроводниковых приборов (транзисторов, тиристоров и т. д.). Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в Э.-д. п. используются в светодиодах и инжекционных лазерах.

Э.-д. п. может быть создан разл. путями: 1) в объёме одного и того же ПП материала, легированного в одной части донорной примесью (р-область), а в другой — акцепторной (n-область); 2) на границе двух разл. ПП разными типами проводимости (см. ГЕТЕРОПЕРЕХОД). Если Э.-д. п. получают вплавлением примесей в монокрист. полупроводник (напр., акцепторной примеси в кристалл с проводимостью n-типа), то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий Э.-д. п.). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный Э.-д. п. Плавные Э.-д. п. можно получать при выращивании монокристалла из расплава, в к-ром постепенно изменяют содержание и характер примесей. Получил распространение метод ионного внедрения примесных атомов, позволяющий создавать Э.-д. п. заданного профиля.

Физический энциклопедический словарь. — М.: Советская энциклопедия. Главный редактор А. М. Прохоров. 1983.