• Главная
  • rss-лента сайта solo-project.com

Переход p-n

Итак, мы познакомились с электрическими свойствами полупроводников и двумя простыми полупроводниковыми приборами — терморезистором и фоторезистором.

Обратим теперь внимание читателя на одну важную деталь: для работы этих приборов совершенно несущественна полярность подключенного к ним источника напряжения. Иначе говоря, эти приборы обладают симметричной вольтамперной характеристикой.

Но давайте вместе с читателем еще раз заглянем в школьный учебник физики, туда, где описаны широко применяемые в радиотехнике выпрямитель переменного тока и детектор сигналов в радиоприемнике. Для работы этих схем необходимы элементы, хорошо пропускающие электрический ток в одном направлении и плохо — в другом. Иначе говоря, такие элементы должны обладать резко несимметричной вольтамперной характеристикой, примерно такой, какая показана на рисунке 44.


Переход p-n, статьи для начинающих


Оказалось, что такую характеристику имеет система из двух соединенных вместе полупроводников с различным типом проводимости — pиn. Эту систему и называют р—n-переходом.

Проведите простой эксперимент!

Возьмите любой имеющийся в продаже полупроводниковый диод — это тот же р—n-переход, только заключенный в корпус и снабженный электрическими выводами. Источником напряжения послужит батарейка от карманного фонаря с напряжением 4,5 В, а для измерения силы тока пригоден любой миллиамперметр со шкалой 10— 30 мА. Последовательно с миллиамперметром и диодом подсоедините резистор с электрическим сопротивлением 1000—1500 Ом, чтобы ток через диод не оказался слишком большим.

Порядок проведения опыта поясняет рисунок 45, В нашем опыте полупроводниковый диод ведет себя подобно вентилю водопровода. Если включить его, как показано на левом рисунке, он не оказывает электрическому току почти никакого сопротивления и миллиамперметр показывает силу тока, равную (по закону Ома!) напряжению батарейки, деленному на сопротивление резистора («вентиль» открыт).


Переход p-n, статьи для начинающих


Но стоит включить диод в обратном направлении, как показывает правый рисунок, и электрическая цепь оказывается практически разомкнутой — отклонение стрелки миллиамперметра близко к нулю («вентиль» закрыт). Вот мы на опыте убедились в резкой несимметричности вольтамперной характеристики р—n-перехода.

Изготовить р—n-переход совсем не просто!

«Я знаю, как изготовить р—n-переход», — скажут некоторые читатели. «Надо просто посильнее прижать друг к другу два хорошо отполированных куска полупроводника р- и n-типов!»

Однако, к сожалению, такой переход никуда не годится. Мало того, что даже хорошо отполированные поверхности полупроводников содержат массу мельчайших неровностей. Поверхность полупроводника всегда покрыта тонким слоем оксида, который изолирует куски полупроводников друг от друга.

Кроме того, на поверхности полупроводников кристаллическая решетка не является строго периодичной, а это приводит к резкому различию электрических свойств поверхности кристалла и свойств его «внутренней части». Короче говоря, механический контакт двух полупроводников не дает ожидаемых результатов!

О бутерброде с маслом.

Любой читатель знает, что нужно сделать для получения бутерброда с маслом, или, образно говоря, для пек лучения «перехода масло — хлеб». Но процедура намазывания оказалась бы ненужной, если бы каким-либо волшебным способом удалось превратить верхний слой хлеба непосредственно в масло!

Оказывается, нечто подобное можно осуществить с полупроводниками. Представьте себе пластину полупроводника, например n-типа, и пусть концентрация примеси в ней равна ND. Введем каким-нибудь способом в часть этой пластины некоторое количество атомов-акцепторов, так, чтобы их концентрация NA оказалась намного больше ND. Тогда в этой части пластины дырки окажутся основными носителями заряда, а это значит, что тип проводимости изменится на противоположный.

А как это делают на производстве?

Посмотрим, каким образом изготовляют так называемые сплавные р-n-переходы (рис. 46). На образец кремния n-типа кладут кусочек алюминия (алюминий — акцептор для кремния!). Все это ненадолго помещают в печь с температурой 580°С. При этой температуре на границе соприкосновения кремния с алюминием образуется жидкий расплав, хотя остальная часть алюминия и кремния остается твердой.


Переход p-n, статьи для начинающих


Для радиолюбителей будет понятен следующий аналогичный пример: припой, в котором смешаны олово и свинец, имеет значительно более низкую температуру плавления, чем олово и свинец в отдельности.

В жидком расплаве атомы алюминия равномерно распределяются среди атомов кремния. После нагревания пластину полупроводника вынимают из печи п охлаждают. Жидкий расплав кристаллизуется и получается твердый слой кремния с примесью алюминия. При этом ионы алюминия, замещая ионы кремния в кристаллической решетке, не нарушают се совершенства, а лишь изменяют тип проводимости полупроводника. Таким образом, в промежуточном слое между алюминием и кремнием образуется р—n-переход.

Что же происходит внутри р—n-перехода?

«Заглянем» внутрь р—n-перехода и понаблюдаем за поведением электронов и дырок.

Представьте себе, что первоначально разделенные p-n-области в некоторый момент времени соединились, образовав р—n-переход. Для огромного числа электронов n-области соседняя p-область «представляется» почти пустой — там имеется лишь небольшое количество неосновных электронов. Столь же «пустой» будет «казаться» и n-область для дырок р-области. Поэтому в первый момент времени начинается встречная диффузия электронов в р-область и дырок в n-область (вспомните «диффузию» рыболовов, описанную в первой статье!). Несмотря на то что электроны и дырки движутся в противоположных направлениях, технические направления электронного и дырочного токов совпадают. Складываясь, эти токи образуют полный диффузионный ток основных носителей через р—n-переход.

Какова дальнейшая судьба диффундирующих носителей, например электронов? Перейдя границу областей, они становятся неосновными, причем избыточными, лишними по сравнению с равновесным количеством электронов в р-области. Это нарушает динамическое равновесие, и избыточные электроны рекомбинируют с дырками уже вблизи от границы областей. Такова же судьба дырок, проникающих в n-область.

Ситуация напоминает картину боя при столкновении «стенка на стенку» двух враждующих войск (рис. 47). В сражении участвуют в первую очередь воины, находящиеся на переднем крае сражения. Лишь немногим из них удается проникнуть в глубь вражеского войска, но они погибают под превосходящими по силе ударами врага. В результате между войсками образуется «мертвая зона», где относительно мало тех и других воинов. В то же время вдали от переднего края строй воинов остается почти неизменным.


Переход p-n, статьи для начинающих


Эта «мертвая зона» в р—n-переходе толщиной в доли микрометра с резко сниженной концентрацией свободных носителей заряда называется обедненным слоем.

Что же дальше? Казалось бы, диффузия электронов и дырок будет продолжаться до полного выравнивания их концентраций по обе стороны от перехода. Но все оказывается несколько сложнее.

Вспомним, что в обычном состояния полупроводник электронейтрален. Но стоит удалить, например, из полупроводника n-типа свободные электроны, как он приобретет положительный заряд «оголенных», т. е, электрически нескомпенсированных донорных ионов. То же произойдет и с полупроводником р-типа при удалении дырок, только оставшийся заряд будет отрицательным.

Теперь обратимся к «анатомии» обедненного слоя. «Оголение» примесных ионов происходит по обе стороны от перехода. Поэтому обедненный слой на самом деле — двухслойный: на n-стороне — положительные заряды доноров, на р-стороне — отрицательные заряды акцепторов. Получается не что иное, как своеобразный заряженный конденсатор. Нетрудно сообразить, что электрическое поле этого конденсатора направлено так, чтобы помешать диффузии электронов и дырок (рис. 48). Получается так, что электроны и дырки сами себе воздвигают барьер, который им же приходится преодолевать!


Переход p-n, статьи для начинающих


На этом, однако, роль электрического поля не ограничивается. Неосновные электроны, беспорядочно перемещаясь по р-области, случайно могут оказаться вблизи границы обедненного слоя. Тогда они подхватываются электрическим полем и дрейфуют в соседнюю n-область. Дырки таким же образом могут дрейфовать в р-область. Эти переходы электронов и дырок образуют полный дрейфовый ток неосновных носителей через р—n-переход. Важно отметить, что этот дрейфовый ток направлен противоположно диффузионному току!

Сила тока дрейфа очень мало зависит от напряженности электрического поля (лишь бы оно захватило электроны и дырки!) и в основном определяется концентрацией неосновных носителей: ведь чем она больше, тем чаще носители будут появляться вблизи обеднённого слоя.

Будем приближенно считать, что сила тока дрейфа неосновных носителей — величина постоянная. Остается теперь выяснить вопрос: когда же и при каких условиях в р—n-переходе наступит равновесие?

Давайте сначала решим, по какому признаку можно определить момент наступления равновесия. Возьмем, например, два сосуда, перекрытые краном в соединяющей их трубке. В одном из сосудов находится газ, другой сосуд пуст. Если открыть кран, то в первый момент возникает направленный поток молекул в пустой сосуд. Через некоторое время молекулы распределяются в сосудах поровну — вот тогда и наступит равновесие в системе. Заметьте, что при равновесии возможны переходы отдельных молекул из одного сосуда в другой и обратно, но самое главное — отсутствует направленный поток молекул из одного сосуда в другой.

Если мы вернемся к р—га-переходу, то можно догадаться, что при равновесии полный ток через границу областей должен быть равен нулю.

Теперь попытаемся представить себе весь процесс установления равновесия в р-n-переходе. С момента соединения р- и га-областей возникает значительный диффузионный ток. Вследствие рекомбинации носителей расширяется обедненный слой и в нем нарастает электрическое поле. Поле ограничивает диффузию и рождает обратный дрейфовый ток. Напряженность электрического поля растет до тех пор, пока сила тока диффузии не станет равна силе тока дрейфа. При этом, конечно, не прекращаются отдельные переходы электронов и дырок как под действием разности концентраций, так и под действием поля, но в целом полный ток через р-n -переход остается равным нулю.

Почему же вольтамперная характеристика р—n-перехода несимметрична?

Представим себе, что каким-то образом нам удалось проникнуть внутрь р—n-перехода и увеличить там напряженность электрического поля. Как повлияет это на баланс диффузионного и дрейфового токов?

Что касается дрейфового тока, то мы договорились считать его приблизительно постоянным. Однако в отношении диффузионного тока это далеко не так. Ведь в диффузии могут участвовать лишь «энергичные» электроны и дырки, которые способны преодолеть «мешающее» им электрическое поле. Но если напряженность поля возросла, то требования к энергии носителей также следует повысить. Теперь все будет зависеть от того, найдутся ли в полупроводнике еще более энергичные основные носители заряда?

Для ответа на этот вопрос вспомним распределение Больцмана для свободных носителей заряда в зоне проводимости полупроводника. Согласно этому распределению, с ростом энергии число носителей, ею обладающих, резко сокращается. Значит, с ростом напряженности электрического поля сила тока диффузии должна уменьшиться до пренебрежимо малого значения. Это нарушает равновесно, и через переход потечет в основном ток неосновных носителей. Сила тока дрейфа в этом случае тоже очень мала и составляет у хороших переходов доли или единицы микроампер.

Теперь представим себе, что напряженность электрического поля в р—n-переходе уменьшилась. Снова мы можем считать дрейфовый ток постоянным. Но требования к энергии диффундирующих носителей заряда теперь снижаются. Вместе с этим возрастает количество электронов и дырок, могущих преодолеть барьер, и столь же резко увеличивается сила тока диффузии основных носителей. Равновесие снова нарушается, но теперь будет явно преобладать диффузионный ток основных носителей.

Не будем забывать, что основных носителей в примесном полупроводнике неизмеримо больше, чем неосновных. Поэтому характер нарушения равновесия в двух рассмотренных случаях должен быть явно несимметричным: если напряженность электрического поля увеличивать или уменьшать на одну и ту же величину, то сила тока во втором случае окажется значительно выше, чем в нервом.

И наконец, о способе изменения напряженности поля в переходе. Оказывается, это очень просто! Достаточно к р-n-переходу подсоединить электрическую батарею последовательно с миллиамперметром. Если положительный полюс батареи присоединить к га-области, а отрицательный — к р-области, то напряженность внешнего электрического поля окажется того же направления, что и напряженность электрического поля в обедненном слое. Тогда напряженность полного электрического поля возрастет и по цепи потечет небольшой дрейфовый ток неосновных носителей. Если полярность батареи изменить, внешнее поле окажется противоположным по отношению к полю обедненного слоя, полная напряженность поля уменьшится и сила тока в цепи резко возрастет за счет диффузии основных носителей.

Итак, причина несимметричности вольтамперной характеристики р—n-перехода заключается в резком различии концентраций основных и неосновных носителей в примесных полупроводниках!

Что общего между шашлыком и уровнем Ферми?

Читатель может пропустить этот небольшой раздел, если понятия вероятности и уровня Ферми показались ему слишком сложными. Здесь мы только хотим показать, что, оперируя с зонными диаграммами и не обращаясь к «внутренностям» обедненного слоя, можно столь же успешно объяснить несимметричность вольтамперной характеристики р—n-перехода. В дальнейшем мы иногда будем пользоваться свойствами уровня Ферми там, где это не усложнит, а только упростит объяснение явлений.

Как известно, в сообщающихся сосудах устанавливается один и тот же общий уровень жидкости. Таким же свойством, но по отношению к областям полупроводников с различной проводимостью обладает уровень Ферми. Установление общего уровня Ферми на самом деле означает, что отдельные области системы вступают в энергетическое равновесие друг с другом. Если при этом каждая из областей имеет свою зонную диаграмму и свой уровень Ферми, то общий уровень как бы «протыкает»


Переход p-n, статьи для начинающих


все эти диаграммы вдоль всех уровней Ферми подобно шампуру, нанизывающему кусочки шашлыка (рис. 49). В этом собственно и состоит все то, что нужно нам знать об уровне Ферми.

Ранее упоминалось, что уровень Ферми в полупроводнике n-типа расположен ближе к границе зоны проводимости, а в полупроводнике р-типа — ближе к границе валентной зоны. Поэтому при совмещении обоих уровней, когда р- и re-области входят в контакт, вся зонная диаграмма р-области оказывается как бы приподнятой относительно зонной диаграммы n-области, так что между краями одноименных вон образуются одинаковые перепады энергии — энергетические барьеры Д? (рис. 50).


Переход p-n, статьи для начинающих


Наличие барьера ставит основные и неосновные носители заряда в неравноправные условия. Например, электроны из р-области могут легко «спрыгивать» со ступеньки барьера, понижая свою энергию, подобно шарикам, скатывающимся с горки. В то же время для основной части электронов n-области, занимающих нижние уровни в зоне проводимости, барьер практически непреодолим. Однако в n-области имеется очень небольшое количество электронов-«чемпионов», занимающих энергетические уровни, превышающие высоту барьера. Только эти «чемпионы» и могут переходить в р-область.

При совмещении уровней Ферми в один общий уровень высота барьера ДЯ «автоматически» устанавливается именно такой, чтобы количество основных электронов-«чемпионов» и неосновных электронов, пересекающих границу областей, было бы одинаковым. Это и будет означать отсутствие полного тока через переход, а значит, и равновесие в системе.


Переход p-n, статьи для начинающих


Допустим теперь, что равновесие нарушилось и энергетический барьер р—га-перехода (см. рис. 51 слева) несколько понизился относительно прежнего барьера (средний рисунок). В этом случае напротив ступеньки барьера окажутся энергетические уровни га-области, более близкие к нижнему краю зоны проводимости. Но с приближением к этой границе (распределение Больцмана!) «населенность» уровней электронами резко возрастает. Это приводит к резкому увеличению потока основных носителей из n-области в р-область.

В то же время понижение барьера не может привести к существенным изменениям силы тока неосновных носителей: электроны из р-области так же легко «спрыгивают» с пониженной ступеньки барьера, однако в целом кх количество остается значительно меньше количества основных носителей.

Относительно дырок в валентных зонах можно сказать то же самое; при этом ток основных дырок из р-области складывается с током электронов из га-области, если учесть, что техническое направление электрического тока противоположно перемещению самих электронов.

Итак, при понижении энергетического барьера ток через р—«-переход резко возрастает за счет основных носителей заряда.

Теперь допустим, что энергетический барьер повысился (правый рисунок). Тогда ступенька барьера будет совпадать с очень «малонаселенными» энергетическими уровнями зоны проводимости га-области. Сила тока основных носителей-электронов настолько уменьшается, что становится значительно меньше силы тока неосновных носителей.

То же можно сказать и о дырочном токе.

Таким образом, при повышенном энергетическом барьере через р—n-переход протекает почти исключительно ток неосновных носителей заряда.

Теперь посмотрим, что получится, если к р—n-переходу подключить батарею постоянного тока. Ясно, что равновесие в системе при этом нарушится. Значит, уровни Ферми р- и n-областей не будут больше совпадать и разойдутся на некоторую величину ±дельта E, причем знак этой разности будет зависеть от полярности батареи. Но так как каждый уровень Ферми крепко «привязан» к своей зонной диаграмме, то это повлечет изменение энергетических барьеров на такую же величину дельта E. Значит, изменяя разность потенциалов на р—n-переходе, мы сдвигаем или раздвигаем зонные диаграммы относительно друг друга, как бы играя на «гармошке». При этом мы фактически регулируем высоту энергетического барьера дельта E.




Похожие записи

Транзистор — «двусторонний бутерброд». Вряд ли читателю приходилось изготовлять странный бутерброд, когда кусок хлеба намазывается маслом с обеих сторон...

читать далее

Попробуем теперь разобраться в принципах работы транзистора и объяснить его усилительные свойства. Нам при этом поможет зонная диаграмма р—n-перехода.

читать далее

Как магнитное поле помогает разгадать знак движущегося заряда? Вернемся в привычную нам область комнатных температур и ознакомимся еще с одним интересным отличием полупроводников от металлов.

читать далее