Електричні переходи та їх види. Електронно-дірковий p–n-перехід

Електронно-дірковий перехід та його властивості

Електронно-дірковим переходом, або просто р-n-переходом, називають ділянку на межі двох напівпровідників, один з них має електронну провідність (n-напівпровідник), а другий - діркову провідність (р-напівпровідник).

Електронно-дірковий перехід застосовується майже в усіх напівпровідникових приладах.

У напівпровіднику n-типу концентрація основних носіїв - електронів - набагато більша, ніж неосновних - дірок. У р-напівпровіднику, навпаки, концентрація дірок набагато перевищує концентрацію електронів, однак і р-напівпровідник і n-напівпровідник - електрично нейтральні.

Під дією різниці концентрації відбувається дифузія: дірок - в n-ділянку, а електронів в р-ділянку. В результаті дифузії баланс позитивних і негативних зарядів порушується, напівпровідники перестають бути електрично нейтральними. У n-напівпровіднику з відходом електронів у р-ділянку з'являється нескомпенсований просторовий позитивний заряд іонів, які розміщені у вузлах кристалічної ґратки. Аналогічно, в р-ділянці з відходом дірок у n-ділянку з'являється просторовий негативний заряд іонів. Просторові заряди розміщені у тонкому шарі товщиною кілька мікрометрів безпосередньо біля межі між ділянками р- та n-типу. Цей подвійний шар просторових зарядів і є власне р-n-переходом. Він збіднений основними носіями, оскільки іони, які утворюють просторовий заряд, розміщені у вузлах кристалічної ґратки і рухатися не можуть. Тому питомий опір подвійного шару набагато більший за питомий опір напівпровідника. Цей шар називають запірним.

Позитивний і негативний просторові заряди розділені межею між ділянками і тому створюють електричне поле, напруженість якого спрямована від позитивного просторового заряду до негативного. Таким чином, на межі двох ділянок виникає потенціальний бар'єр. Електричне поле перешкоджає подальшій дифузії основних носіїв через бар'єр.

Водночас під дією температури відбувається генерація неосновних носіїв у запірному шарі, для яких електричне поле р-n-переходу є прискорювальним.

Таким чином, через р-n-перехід у протилежних напрямах протікають два струми: струм основних носіїв під дією різниці концентрацій (дифузний струм) і струм неосновних носіїв під дією електричного поля р-n-переходу (дрейфовий струм). Оскільки струм неосновних носіїв зумовлений температурою, то цей струм називають тепловим. У звичайних умовах ці два струми взаємно компенсують один одного.

На межі між двома структурами різної електропровідності утворюється електронно-дірковий перехід — замикаючий або запірний, що має однобічну провідність. Якщо до напівпровідника прикласти зовнішню напругу (рис. 1, а) так, щоб негативний полюс джерела живлення GB був приєднаний до структури n, а позитивний — до структури р, то основні носії заряду (електрони зі структури n, а дірки — зі структури р) переміщатимуться до запірного шару й переходитимуть через нього. При цьому запірний шар зменшується і через нього проходить великий прямий струм Iпp.

Якщо поміняти місцями полюси джерела живлення (рис 1, б), то основні носії заряду будуть відтягуватися від запірного шару й він ростиме. Його опір збільшується, а зворотний струм I3В, який проходить, зменшується. Звідси можна зробити висновок, що струм через запірний шар проходить тільки в одному напрямку.

                                                                  а)                                                       б)

  Рисунок 1

Отже, р-n-перехід має таку основну властивість: якщо полярність зовнішньої прикладеної напруги пряма, то р-n-перехід відкритий і пропускає струм, а якщо зворотна, - то р-n-перехід закритий і струм майже не пропускає.