Р-n-переход и его свойства.

Граница соприкосновения двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную проводимость, называется электронно- дырочным переходом (р-n–переходом). Переход нельзя осуществить просто механическим соединением двух полупроводников. Обычно области различной проводимости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в р-n–переходе. Пусть донорный полупроводник (n-типа) приводится в контакт с акцепторным полупроводником (р-типа). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия дырок происходит в обратном направлении. В результате в n-полупроводнике, из-за ухода электронов, вблизи границы остаётся нескомпенсированный положительный объёмный заряд неподвижных ионов (ионизированных донорных атомов). В р-полупроводнике, из-за ухода дырок, вблизи границы образуется отрицательный объёмный заряд неподвижных отрицательных ионов (ионизированных акцепторных атомов). Эти объёмные заряды образуют у границы двойной электрический слой (рис. 9,а), поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении n ® р и дырок в направлении р ® n. Если концентрации доноров и акцепторов в полупроводниках n и р-типа одинаковы, то толщина слоев d₁ и d₂, в которых локализуются неподвижные заряды, равны, d₁=d₂. Толщина d слоя р-n–перехода в полупроводниках составляет примерно 10^-6 – 10^{-7 м.}

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р-n–переходу внешнее электрическое поле направлено от n- к р-полупроводнику (рис. 9, б), т. е. совпадает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-n–перехода в противоположные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастёт. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-n–переход очень мал, так как образуется лишь за счёт неосновных носителей (электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике). Постоянный при данной температуре электрический ток, обусловленный неосновными носителями, называется током насыщения или обратным током р-n–перехода I₀ (левая ветвь рис. 10).

Если источник внешнего напряжения подключен плюсом к р-области, а минусом к n-области, то такое подключение называется прямым. При этом внешнее электрическое поле направлено противоположно полю контактного слоя (рис. 9,в) и вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-n–перехода навстречу друг другу. В этой области они рекомбинируют, толщина контактного слоя и его сопротивление уменьшаются. Ток основных носителей, протекающий через полупроводник при прямом подключении р-n–перехода, называется прямым током р-n–перехода (правая ветвь рис. 10).

Кривая зависимости тока, протекающего через р-n–переход, от величины прикладываемого напряжения называется вольтамперной характеристикой р-n –перехода (рис. 10).

Вольтамперные характеристики р-n–переходов в реальных случаях несколько отличаются от расчётных. Так, при достаточно больших обратных напряжениях наблюдается явление пробоя р-n–перехода. Свободные электроны и дырки, ускоряясь в электрическом поле, накапливают кинетическую энергию, достаточную для ионизации атомов кристаллической решетки полупроводника. Образовавшиеся при этом электроны сами принимают участие в дальнейшей ионизации. Происходит лавинное "размножение" носителей в области р-n–перехода, и ток резко возрастает. Для каждого р-n–перехода существует предельное значение обратного напряжения, выше которого возникает пробой перехода.

Полупроводниковые диоды

Р-n–переход, как было показано, обладает выпрямляющим свойством: при прямом направлении прикладываемого напряжения сопротивление его мало и через р-n–переход протекает ток; при обратном напряжении резко увеличивается омическое сопротивление р-n–перехода, ток через переход не протекает или величина его очень мала, так как он обеспечивается неосновными носителями.

На этом свойстве основана работа полупроводниковых диодов.

Полупроводниковые диоды позволяют выпрямлять различный ток (от миллиампер до тысяч ампер, от низких частот до сверхвысоких частот, при напряжении в доли вольта до сотен вольт).

В зависимости от площади и конструкции контакта в области р-n–перехода полупроводниковые диоды делятся на точечные и плоскостные. Плоскостные диоды используются для выпрямления переменных токов низкой частоты. Такие диоды собираются в металлических герметизированных корпусах. В высокочастотных цепях используются точечные диоды, обладающие малой емкостью. Эти диоды выпускаются в стеклянном оформлении.

Наиболее широко распространены германиевые и кремниевые диоды. Германиевые диоды предназначены для применения при температурах до 80°С, кремниевые диоды могут быть использованы при температурах до 200^оС.