1.1.     Электронно-дырочный переход и полупроводниковые диоды

К полупроводникам относят материалы, проводимость которых больше проводимости диэлектриков, но меньше проводимости про­водников. Обычно это кристаллический материал с шириной запре­щенной зоны от 0,5 до 2 эВ. В радиоэлектронике в качестве полупро­водников наиболее часто используются кремний, германий, арсенид галлия, селен и др. Химически чистые, или i-полупроводники имеют небольшую собственную проводимость, обусловленную свободными электронами и дырками теплового происхождения.

Полупроводник п-типа – это полупроводник с преобладающей электронной проводимостью. Преобладающая электронная проводи­мость возникает при добавлении донорных примесей, например пяти­валентных сурьмы, мышьяка и т.п. к четырехвалентному кремнию. Атом примеси легко ионизируется, добавляя электрон к электронам собственной проводимости.

Полупроводник р-типа возникает при добавлении к химически чистому полупроводнику акцепторных примесей, например, при до­бавлении трехвалентных бора, алюминия и др. к четырехвалентному кремнию. Атом примеси ионизируется, принимая электрон от сосед­него атома основного полупроводника и создавая, тем самым, дырку в полупроводнике. Примесные полупроводники называются легирован­ными.

При нормальной температуре практически все атомы примесей ионизируются, и проводимость примесного полупроводника существенно возрастает. Отметим, что, несмотря на возникновение только одного типа проводимости: или n-, или р-типа, примесные полупроводники будут электрически нейтральны, так как заряды ионов скомпенсированы зарядами основных носителей заряда: электронов в n-области и дырок в р-области полупроводника. Дырки в n-полупроводнике или электроны в р-полупроводнике называют неос­новными носителями зарядов.        

Наибольшее применение нашли полупроводники, одна часть которых легирована акцепторными примесями, а другая – донорными. Переход между двумя областями полупроводника с разными типами электропроводности (рис. 1.1) называется электронно-дырочным.

После создания в полупроводнике р- и n-областей начинается диффузионный ток основных носителей заряда: дырок из р-области в n-область и электронов в обратном направлении. Диффундируя, элек­троны и дырки оставляют за собой соответственно положительно и отрицательно заряженные ионы примесей.

Отметим, что эти ионы же­стко закреплены в кристаллической решетке и перемещаться не могут. В n-области диффундирующие дырки рекомбинируют с электронами, резко уменьшая концентрацию электронов и дополнительно образуя нескомпенсированные положительные ионы. Аналогично в р-области диффундирующие электроны рекомбинируют с дырками, резко уменьшая концентрацию основных носителей зарядов и дополнительно образуя нескомпенсированные отрицательные ионы.

Таким образом, вблизи границы р- и n-областей концентрация ос­новных носителей заряда резко падает. Возникает обедненный носи­телями слой, где «обнажаются»

нескомпенсированные отрицательные и положительные заряды акцепторных и донорных ионов. Ширина этого обедненного слоя для кремниевого перехода равна: l » 0,3 мкм.

Появление противоположно заряженных ионов приводит к воз­никновению электрического поля в переходе. Это поле направлено так, что тормозит процессы диффузии. Возникшему электрическому полю соответствует контактная разность потенциалов (jК). При тем­пературе Т = 27 °С для кремниевого перехода jК  » 0,8 В.

Электрическое поле в переходе обусловливает появление дрейфо­вого тока – тока неосновных носителей зарядов в переходе: дырки из n-области переносятся электрическим полем в р-область, а элек­троны из р-области затягиваются в n-область. Значение дрейфового тока мало, так как мала концентрация неосновных носителей заряда. В установившемся состоянии диффузионный ток будет равен дрейфовому току.   

Пусть к р-п-переходу подключен источник небольшого постоянного напряжения, причем плюс этого напряжения прикладывается к р-области (см. рис. 1.1). Электрическое поле, создаваемое этим источником, накладывается на внутреннее поле в р-п-переходе, созданное ионами примесей. Резу