Основи електроніки (стр. 4 )

Нехай зовнішня напруга на переході відсутня (мал. 13). Так як носії заряду в кожному напівпровіднику здійснюють безладний тепловий рух, тобто мають власні швидкості, то відбувається їх дифузія з одного напівпровідника в інший. Як і при будь-якій іншій дифузії, наприклад в газах і рідинах, носії переміщуються звідти, де їх концентрація більша, туди, де їх концентрація менша. Таким чином, з напівпровідника п-типу в напівпровідник р-типу дифундують електрони, а в зворотному напрямку з напівпровідника р-типу в напівпровідник п-типу дифундують дірки. Це дифузійне переміщення електронів і дірок показано на рис. 2-1, а стрілками. Кружки з плюсом і мінусом зображують атоми донорної і акцепторної домішки, заряджені відповідно позитивно і негативно.

В результаті дифузії носіїв по обидві сторони кордону розділу двох напівпровідників з різним типом електропровідності створюються об'ємні заряди різних знаків. В області п виникає позитивний об'ємний заряд. Він утворений головним чином позитивно зарядженими атомами донорної домішки і в невеликому ступені прийшовшими в цю область дірками. Подібно до цього в області р виникає негативний об'ємний заряд, утворений негативно зарядженими атомами домішки і, вчасності, електронами які прийшли сюди. На мал. 13, а для спрощення носії і атоми домішок показані тільки в області переходу.

Між утвореними об'ємними зарядами виникають так звана контактна різниця потенціалів та електричне поле (вектор напруженості Ек). На мал.13, б зображена потенційна діаграма п - р- переходу для розглянутого випадку, коли зовнішня напруга до переходу не прикладена. На цій діаграмі, що показує розподіл потенціалу вздовж осі х, перпендикулярній площині розділу двох напівпровідників, за нульовий потенціал умовно прийнято потенціал граничного слоя. Звичайно, можна було б за нульовий прийняти потенціал області п або р. На мал. 13 і на наступних малюнках для наочності використано спотворений масштаб. Насправді товщина п - р-переходу дуже мала в порівнянні з розмірами областей п і р.

Слід зазначити, що об'ємні заряди різних знаків виникають поблизу кордону п-і р-областей, а позитивний потенціал або негативний потенціал створюється однаковим по всій області п або р.

Як видно, в п-р - переході виникає потенціальний бар'єр, що перешкоджає дифузійному переходу носіїв. На мал. 13,б зображений бар'єр для електронів, що прагнуть за рахунок дифузії переміщуватися зліва направо (з області п в область р). Якщо б ми відклали вгору позитивний потенціал, то отримали б зображення такого ж потенціального бар'єру для дірок, які прагнуть дифундувати справа наліво (з області р в область п).

Висота бар'єру дорівнює контактної різниці потенціалу і зазвичай становить десяті частки вольта. Чим більша концентрація домішок, тим вища концентрація основних носіїв і тим більше число їх дифундує через кордон. Щільність об'ємних зарядів зростає, і збільшується контактна різниця потенціалів , тобто висота потенційного бар'єра. При цьому товщина п-р-переходу d зменшується, так як відповідні об'ємні заряди утворюються в прикордонних шарах меншої товщини.

Одночасно з дифузійним переміщенням основних носіїв через кордон відбувається і зворотне переміщення носіїв під дією електричного поля контактної різниці потенціалів. Це поле переміщує дірки з п-області назад в р-область і електрони з р-області назад в п-область.

При постійній температурі п - р-перехід знаходиться в стані динамічної рівноваги. Кожну секунду через кордон в протилежних напрямках дифундує визначене число електронів і дірок, а під дією поля стільки ж їх дрейфує у зворотному напрямку.

Як ми знаємо, переміщення носіїв за рахунок дифузії є дифузійним струмом, а рух носіїв під дією поля представляє собою струм дрейфу. У сталому режимі, тобто при динамічній рівновазі переходу, ці струми рівні і протилежні за напрямком. Тому повний струм через перехід дорівнює нулю, що і повинно бути при відсутності зовнішньої напруги. Кожен з струмів має електронну і діркову складові. Значення цих складових різні, оскільки залежать від концентрації і рухливості носіїв. Висота потенційного бар'єра завжди встановлюється саме такою, щоб наступила рівновага, тобто дифузійний струм і струм дрейфу взаємно компенсують один одного.

Дійсно, нехай з якоїсь причини, наприклад від підвищення температури, дифузія посилилася. Струм дифузії зростає, через перехід буде дифундувати більше носіїв. Це викличе збільшення об'ємних зарядів і потенціалів по обидва боки кордону. Значення зросте, тобто посилиться електричне поле в переході і підвищиться потенціальний бар'єр. Але посилення поля викличе відповідне збільшення струму дрейфу, тобто зворотного переміщення носіїв. Поки , висота бар'єру зростає, але в кінці кінців за рахунок збільшення настане рівність і подальше підвищення припиниться.

Як результат дії електричного поля контактної різниці потенціалів прикордонний шар, збіднений рухомими носіями. Це поле «виштовхує» з прикордонних шарів рухливі носії: електрони переміщаються в область п, а дірки - в область р. Таким чином в п - р-переході виникає запірний шар, який має великий опір порівняно з опором інших областей п-і р-напівпровідників.

1.7 Електронно-дірковий перехід при прямій напрузі

Мал.14

Нехай джерело зовнішньої напруги підключене позитивним полюсом до напівпровідника р-типу, а негативним полюсом - до напівпровідника п-типу (мал. 14, а). Така напруга, у якої полярність збігається з полярністю основних носіїв, називається прямою. Дію прямої напруги , що викликає прямий струм через перехід, пояснює потенціальна діаграма, зображена на мал. 14, б. Електричне поле, що створюється у п - р-переході прямою напругою, діє назустріч полю контактної різниці потенціалів. Це показано на малюнку протилежним напрямком векторів Ек і Епр. Результуюче поле стає слабшим, і різниця потенціалів в переході зменшується, тобто висота потенціального бар'єра знижується, зростає дифузійний струм, оскільки знижений бар'єр може подолати більше число носіїв. Струм дрейфу при цьому майже не змінюється, оскільки він залежить головним чином тільки від числа неосновних носіїв, що потрапляють за рахунок своїх теплових швидкостей на п-р-перехід з п-і р-областей. Напругу на переході можна вважати рівною Для порівняння на мал. 14, б штриховою лінією повторена потенційна діаграма при відсутності зовнішньої напруги.

Як відомо, при відсутності зовнішньої напруги струми і рівні і взаємно компенсують один одного. При прямій напрузі, і тому повний струм через перехід, тобто прямий струм, вже не дорівнює нулю:

Якщо бар'єр значно знижений, то і можна вважати, що тобто прямий струм в переході є чисто дифузійним.

Введення носіїв заряду через знижений під дією прямої напруги потенційний бар'єр в область, де ці носії є неосновними, називається інжекцією носіїв заряду. Слово інжекція означає вступ, впорскування. Область напівпровідникового приладу, з якої інжектуються носії, називається емітерною областю, або емітером. А область, в яку інжектуються неосновні для цієї області носії заряду, називають базовою областю, або базою. Таким чином, якщо розглядати інжекції електронів, то п-область є емітером, а р-область - базою. Для інжекції дірок, навпаки, емітером служить р-область, а п-область є базою.

При прямій напрузі не тільки знижується потенційний бар'єр, але також зменшується товщина запірного шару. І його опір в прямому напрямку стає малим (одиниці - десятки ом).

Оскільки висота бар'єру ик при відсутності зовнішньої напруги складає декілька десятих доль вольта, то для значного зниження бар'єру і суттєвого зменшення опору запірного шару досить підвести до п - р-переходу таку ж пряму напругу (десяті частки вольта). Тому великий прямий струм можна отримати при дуже невеликій прямій напрузі.

Розглянемо ще характер прямого струму в різних частинах ланцюга (мал. 14, а). Електрони з п-області рухаються через перехід в р-область, а назустріч їм з р-області в n-область переміщуються дірки, тобто через перехід протікають два струму: електронний і дірковий. У зовнішніх провідниках, звичайно, рухаються тільки електрони. Вони переміщаються в напрямку від мінуса джерела до п-області і компенсують спад електронів, дифундують через перехід в р-область. А з р-області електрони йдуть у напрямку до плюса джерела, і тоді в цій області утворюються нові дірки. Такий процес відбувається безперервно, і, отже, безперервно протікає прямий струм.