§ 3.17. Электронно-дырочный переход (n—р-переход)

Особый практический интерес представляют явления на границе раздела полупроводников с n- и р-проводимостями. При этом образуется так называемый электронно-дырочный (n—р) переход.

При контакте двух полупроводников с различными типами проводимости вследствие теплового движения происходит взаимная диффузия носителей заряда через границу соприкосновения (контакт) полупроводников. Электроны из п-области, где они являются основными носителями заряда, переходят в p-область, где их концентрация значительно меньше. Точно так же дырки переходят из p-области в n-область. Поэтому n-область вблизи границы раздела оказывается заряженной положительно, а р-область — отрицательно (рис. 3.49, a); n-область приобретает положительный потенциал, и энергия электрона в ней оказывается меньше (так как заряд электрона отрицателен), а потенциал p-области сделается отрицательным, и энергия электрона в ней увеличится. Кривая распределения потенциальной энергии электронов W имеет вид, показанный на рисунке 3.49, б сплошной линией. Напротив, энергия положительных дырок W_Д больше в n-области и меньше в p-области (штриховая кривая на том же рисунке).

В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полная сила тока через электронно-дырочный переход равна нулю. Объясняется это следующим образом. Из рисунка 3.49 видно, что контактное электрическое поле способствует движению неосновных носителей заряда, которые «скатываются» с потенциального уступа. Поэтому все неосновные носители приконтактной области движутся через n—р-переход и образуют ток i_H, направленный от « полупроводника к р-полупроводнику. Его сила тока практически не зависит от разности потенциалов между n- и р-полупроводниками и определяется только количеством неосновных носителей заряда.

Основные же носители (дырки, движущиеся справа налево, и электроны, движущиеся слева направо) образуют ток i_O, направленный противоположно, т. е. от р-полупроводника к « полупроводнику. На рисунке 3.49, б видно, что контактное поле препятствует движению основных носителей, которые должны преодолеть потенциальный барьер. В состоянии равновесия устанавливается такая высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов), при которой полная сила тока

i = i_O - i_н = 0.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через барьер. Предположим, что мы приложили к контакту напряжение такого знака, что потенциал n-области оказывается отрицательным, а р-области — положительным (рис. 3.50, а). Тогда энергия электронов в n-области увеличится, а в р-области уменьшится, а следовательно, высота потенциального барьера станет меньше (рис. 3.50, б). При этом сила тока неосновных носителей i_H, как говорилось выше, не изменится. Сила же тока основных носителей i_O увеличится, так как теперь большее количество электронов сможет преодолеть потенциальный барьер и перейти слева направо, а также большее количество дырок — перейти в противоположном направлении. В результате через контакт будет идти ток i = i_O - i_H, направленный от р-полупроводника к n-полупроводнику; сила тока будет быстро нарастать с увеличением приложенного напряжения. Направление тока, которое возникает в данном случае, называют пропускным, а ток — прямым.

Что будет происходить, если к n-области присоединить положительный полюс источника тока, а к р-области — отрицательный (рис. 3.51, а)? В этом случае высота потенциального барьера увеличится и сила тока основных носителей i_O уменьшится. Уже при напряжениях порядка 1 В этот ток практически обратится в нуль, и поэтому через контакт будет течь только ток неосновных носителей, при этом сила тока i_H будет очень мала (рис. 3.51, б). Это направление тока называют запирающим, а ток — обратным.

Таким образом, n—р-переход обладает односторонней проводимостью, аналогично выпрямляющему действию двухэлектродной лампы — вакуумному диоду (см. § 3.12).

Электронно-дырочные переходы полупроводников широко применяются в современных полупроводниковых приборах. Приборы с одним n—р-переходом называются диодами (рис. 3.52, а); с двумя — транзисторами (рис. 3.52, б); с тремя — тиристорами (рис. 3.52, в).

Электронно-дырочный переход по отношению к току оказывается несимметричным: в прямом направлении сопротивление перехода значительно меньше, чем в обратном.