Електронно-дірковий перехід
 
а б в г д е ж з и й к л м н о п р с т у ф х ц ч ш щ ъ ы ь э ю я
 

Електронно-дірковий перехід

електронно-дірковий перехід ( p — n -переход), область напівпровідника, в якій має місце просторова зміна типа провідності (від електронної n до діркової p ) . Оскільки в р -області Е.-д. п. концентрація дірок набагато вища, ніж в n -області, дірки з n -області прагнуть дифундувати в електронну область. Електрони дифундують в р -область. Проте після відходу дірок в n -області залишаються негативно заряджені акцепторні атоми, а після відходу електронів в n -області — позитивно заряджені донорні атоми. Т. до. акцепторні і донорні атоми нерухомі, то в області Е.-л. п. утворюється подвійний шар просторового заряду — негативні заряди в р -області і позитивних зарядах в n -області ( мал. 1 ). Контактне електричне поле, що виникає при цьому по величині і напряму таке, що воно протидіє дифузії вільних носіїв струму через Е.-д. п.; в умовах теплової рівноваги за відсутності зовнішньої електричної напруги повний струм через Е.-д. п. дорівнює нулю. Т. о., в Е.-д. п. існує динамічна рівновага, при якій невеликий струм, що створюється неосновними носіями (електронами в р -області і дірках в n -області), тече до Е.-д. п. і проходить через нього під дією контактного поля, а рівний по величині струм, що створюється дифузією основних носіїв (електронами в n -області і дірках в р -області), протікає через Е.-д. п. у зворотному напрямі. При цьому основним носіям доводиться долати контактне поле ( потенційний бар'єр ) . Різниця потенціалів, що виникає між p- і n -областямі із-за наявності контактного поля ( контактна різниця потенціалів або висота потенційного бар'єру), зазвичай складає десяті долі вольта.

загрузка...

  Зовнішнє електричне поле змінює висоту потенційного бар'єру і порушує рівновагу потоків носіїв струму через нього. Якщо покладе. потенціал прикладений до р -області, то зовнішнє поле направлене проти контактного, тобто потенційний бар'єр знижується (прямий зсув). В цьому випадку із зростанням прикладеної напруги експоненціально зростає число основних носіїв, здатних здолати потенційний бар'єр. Концентрація неосновних носіїв по обидві сторони Е.-д. п. збільшується (інжекція неосновних носіїв), одночасно в р- і n -області через контакти входять рівні кількості основних носіїв, що викликають нейтралізацію зарядів інжектірованних носіїв. В результаті зростає швидкість рекомбінації і з'являється відмінний від нуля струм через Е.-д. п. При підвищенні прикладеної напруги цей струм експоненціально зростає. Навпаки, додаток покладе, потенціалу до і-області (зворотний зсув) приводить до підвищення потенційного бар'єру. При цьому дифузія основних носіїв через Е.-д. п. стає нехтує малою.

  В той же час потоки неосновних носіїв не змінюються, оскільки для них бар'єру не існує. Потоки неосновних носіїв визначаються швидкістю теплової генерації електронно-діркових пар. Ці пари дифундують до бар'єру і розділяються його полем, внаслідок чого через Е.-д. п. тече струм I s (струм насичення), який зазвичай малий і майже не залежить від прикладеної напруги. Т. о., залежність струму 1 через Е.-д. п. від прикладеної напруги U (вольтамперная характеристика) володіє різко вираженою нелінійністю ( мал. 2 ). При зміні знаку напруги струм через Е.-д. п. може мінятися в 10 5 —10 6 разів. Завдяки цьому Е.-д. п. є вентильним пристроєм, придатним для випрямлення змінних струмів (див. Напівпровідниковий діод ) . Залежність опору Е.-д. п. від U дозволяє використовувати Е.-д. п. як регульований опір ( варістора ) .

  При подачі на Е.-д. п. досить високого зворотного зсуву U = U пр виникає електричний пробій, при якому протікає великий зворотний струм ( мал. 2 ). Розрізняють лавинний пробій, коли на довжині вільного пробігу в області об'ємного заряду носій набуває енергії, достатньої для іонізації кристалічної решітки тунельний (зінеровський) пробій, що виникає при туннелірованії носіїв крізь бар'єр (див. Тунельний ефект ) , і тепловий пробій, пов'язаний з недостатністю тепловідводу від Е.-д. п., що працює в режимі великих струмів.

  Від прикладеної напруги залежить не лише провідність, але і ємкість Е.-д. п. Дійсно, підвищення потенційного бар'єру при зворотному зсуві означає збільшення різниці потенціалів між п- і р- областями напівпровідника і, звідси, збільшення їх об'ємних зарядів. Оскільки об'ємні заряди є нерухомими і пов'язаними з кристалічною решіткою іонами донорів і акцепторів, збільшення об'ємного заряду може бути обумовлене лише розширенням його області і, отже, зменшенням ємкості Е.-д. п. При прямому зсуві до ємкості шару об'ємного заряду (називається також зарядною ємкістю) додається т.з. дифузійна ємкість, обумовлена тим, що збільшення напруги на Е.-д. п. приводить до збільшення концентрації неосновних носіїв, тобто до зміни заряду. Залежність ємкості від прикладеної напруги дозволяє використовувати Е.-д. п. як варактор — прилад, ємкістю якого можна управляти, міняючи напругу зсуву (див. Параметричний напівпровідниковий діод ) .

  Окрім використання нелінійності вольтамперной характеристики і залежності ємкості від напруги, Е.-д. п. знаходить багатообразні вживання, засновані на залежності контактної різниці потенціалів і струму насичення від концентрації неосновних носіїв. Їх концентрація істотно змінюється при різних зовнішніх діях — теплових, механічних, оптичних і ін. На цьому засновані різного роду датчики: температури, тиску, іонізуючих випромінювань і т. д. Е.-д. п. використовується також для перетворення світлової енергії в електричну (див. Сонячна батарея ) .

  Е.-д. п. є основою різного роду напівпровідникових діодів, а також входять як складові елементи в складніші напівпровідникові прилади транзистори, тиристори і т. д. Інжекція і подальша рекомбінація неосновних носіїв в Е.-д. п. використовуються в светоїзлучающих діодах і інжекційних лазерах .

  Е.-д. п. може бути створений різними шляхами: 1) у об'ємі одного і того ж напівпровідникового матеріалу, легованого в одній частині донорною домішкою ( р -область), а в іншій — акцепторною ( n -область); 2) на кордоні двох різних напівпровідників з різними типами провідності (див. Напівпровідниковий гетероперехід ); 3) поблизу контакту напівпровідника з металом, якщо ширина забороненої зони напівпровідника менше різниці робіт виходу напівпровідника і металу; 4) додатком до поверхні напівпровідника з електронною (дірковою) провідністю досить великого негативного (позитивного) потенціалу, під дією якого в поверхні утворюється область з дірковою (електронною) провідністю (інверсний шар).

  Якщо Е.-д. п. отримують вплавленням домішок в монокристалічний напівпровідник (наприклад, акцепторній домішці в кристал з провідністю n -тіпа), то перехід від n- до р -області відбувається стрибком (різкий Е.-д. п.). Якщо використовується дифузія домішок, то утворюється плавний Е.-д. п. Плавні Е.-д. п. можна отримувати також вирощуванням монокристала з розплаву, в якому поступово змінюють вміст і характер домішок. Набув поширення метод іонного впровадження домішкових атомів, що дозволяє створювати Е.-д. п. заданого профілю.

  Літ.: Стільбанс Л. С., Фізика напівпровідників, М., 1967; Пікус Р. Е., Основи теорії напівпровідникових приладів, М., 1965; Федотов Я. А., Основи фізики напівпровідникових приладів, 2 видавництва, М., 1970; СВЧ(надвисокі частоти)-полупроводниковые прилади і їх вживання, пер.(переведення) з англ.(англійський), М., 1972; Бонч-Бруєвіч Ст Л., Калашников С. Р., Фізика напівпровідників, М., 1977.

  Е. М. Епштейн.

Мал. 1. Схема p-n -перехода: чорні кухлі — електрони; світлі кухлі — дірки.

Мал. 2. Вольтамперная характеристика р — n-переходу: U — прикладена напруга; I - струм через перехід; Is — струм насичення; Unp — напруга пробою.