Электронно-дырочный переход

(p — n-переход) область полупроводника, в которой имеет место пространственное изменение типа проводимости (от электронной n к дырочной p). Поскольку в р-области Э.-д. П. Концентрация дырок гораздо выше, чем в n-области, дырки из n -области стремятся диффундировать в электронную область. Электроны диффундируют в р-область. Однако после ухода дырок в n-области остаются отрицательно заряженные акцепторные атомы, а после ухода электронов в n-области — положительно заряженные донорные атомы. Т. К. Акцепторные и донорные атомы неподвижны, то в области Э.-л. П. Образуется двойной слой пространственного заряда — отрицательные заряды в р-области и положительные заряды в n -области (рис. 1). Возникающее при этом контактное электрическое поле по величине и направлению таково, что оно противодействует диффузии свободных носителей тока через Э.-д.

П. В условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения полный ток через Э.-д. П. Равен нулю. Т. О., в Э.-д. П. Существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами в р-области и дырками в n-области), течёт к Э.-д. П. И проходит через него под действием контактного поля, а равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через Э.-д. П. В обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (Потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (Контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

Внешнее электрическое поле изменяет высоту потенциального барьера и нарушает равновесие потоков носителей тока через него. Если положит. Потенциал приложен к р-области, то внешнее поле направлено против контактного, т. Е. Потенциальный барьер понижается (прямое смещение). В этом случае с ростом приложенного напряжения экспоненциально возрастает число основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер. Концентрация неосновных носителей по обе стороны Э.-д. П. Увеличивается (инжекция неосновных носителей), одновременно в р- и n-области через контакты входят равные количества основных носителей, вызывающих нейтрализацию зарядов инжектированных носителей. В результате возрастает скорость рекомбинации и появляется отличный от нуля ток через Э.-д.

П. При повышении приложенного напряжения этот ток экспоненциально возрастает. Наоборот, приложение положит, потенциала к и-области (обратное смещение) приводит к повышению потенциального барьера. При этом диффузия основных носителей через Э.-д. П. Становится пренебрежимо малой. В то же время потоки неосновных носителей не изменяются, поскольку для них барьера не существует. Потоки неосновных носителей определяются скоростью тепловой генерации электронно-дырочных пар. Эти пары диффундируют к барьеру и разделяются его полем, в результате чего через Э.-д. П. Течёт ток Is (ток насыщения), который обычно мал и почти не зависит от приложенного напряжения. Т. О., зависимость тока 1 через Э.-д. П. От приложенного напряжения U (вольтамперная характеристика) обладает резко выраженной нелинейностью (рис.

2). При изменении знака напряжения ток через Э.-д. П. Может меняться в 105—106 раз. Благодаря этому Э.-д. П. Является вентильным устройством, пригодным для выпрямления переменных токов (см. Полупроводниковый диод). Зависимость сопротивления Э.-д. П. От U позволяет использовать Э.-д. П. В качестве регулируемого сопротивления (Варистора). При подаче на Э.-д. П. Достаточно высокого обратного смещения U = Uпр возникает электрический пробой, при котором протекает большой обратный ток (рис. 2). Различают лавинный пробой, когда на длине свободного пробега в области объёмного заряда носитель приобретает энергию, достаточную для ионизации кристаллической решётки, туннельный (зинеровский) пробой, возникающий при туннелировании носителей сквозь барьер (см.

Туннельный эффект), и тепловой пробой, связанный с недостаточностью теплоотвода от Э.-д. П., работающего в режиме больших токов. От приложенного напряжения зависит не только проводимость, но и ёмкость Э.-д. П. Действительно, повышение потенциального барьера при обратном смещении означает увеличение разности потенциалов между п- и р-областями полупроводника и, отсюда, увеличение их объёмных зарядов. Поскольку объёмные заряды являются неподвижными и связанными с кристаллической решёткой ионами доноров и акцепторов, увеличение объёмного заряда может быть обусловлено только расширением его области и, следовательно, уменьшением ёмкости Э.-д. П. При прямом смещении к ёмкости слоя объёмного заряда (называется также зарядной ёмкостью) добавляется т.

Н. Диффузионная ёмкость, обусловленная тем, что увеличение напряжения на Э.-д. П. Приводит к увеличению концентрации неосновных носителей, т. Е. К изменению заряда. Зависимость ёмкости от приложенного напряжения позволяет использовать Э.-д. П. В качестве варактора — прибора, ёмкостью которого можно управлять, меняя напряжение смещения (см. Параметрический полупроводниковый диод). Помимо использования нелинейности вольтамперной характеристики и зависимости ёмкости от напряжения, Э.-д. П. Находит многообразные применения, основанные на зависимости контактной разности потенциалов и тока насыщения от концентрации неосновных носителей. Их концентрация существенно изменяется при различных внешних воздействиях — тепловых, механических, оптических и др.

На этом основаны различного рода датчики. Температуры, давления, ионизирующих излучений и т. Д. Э.-д. П. Используется также для преобразования световой энергии в электрическую (см. Солнечная батарея). Э.-д. П. Являются основой разного рода полупроводниковых диодов, а также входят в качестве составных элементов в более сложные Полупроводниковые приборы — Транзисторы, Тиристоры и т. Д. Инжекция и последующая рекомбинация неосновных носителей в Э.-д. П. Используются в светоизлучающих диодах (См. Светоизлучающий диод) и инжекционных лазерах (См. Инжекционный лазер). Э.-д. П. Может быть создан различными путями. 1) в объёме одного и того же полупроводникового материала, легированного в одной части донорной примесью (р-область), а в другой — акцепторной (n-область).

2) на границе двух различных полупроводников с разными типами проводимости (см. Полупроводниковый гетеропереход). 3) вблизи контакта полупроводника с металлом (См. Металлы), если ширина запрещенной зоны полупроводника меньше разности работ выхода (См. Работа выхода) полупроводника и металла. 4) приложением к поверхности полупроводника с электронной (дырочной) проводимостью достаточно большого отрицательного (положительного) потенциала, под действием которого у поверхности образуется область с дырочной (электронной) проводимостью (инверсный слой). Если Э.-д. П. Получают вплавлением примесей в монокристаллический полупроводник (например, акцепторной примеси в кристалл с проводимостью n-типа), то переход от n- к р-области происходит скачком (резкий Э.-д.

П.). Если используется диффузия примесей, то образуется плавный Э.-д. П. Плавные Э.-д. П. Можно получать также выращиванием монокристалла из расплава, в котором постепенно изменяют содержание и характер примесей. Получил распространение метод ионного внедрения (См. Ионное внедрение) примесных атомов, позволяющий создавать Э.-д. П. Заданного профиля. Лит. Стильбанс Л. С., Физика полупроводников, М., 1967. Пикус Г. Е., Основы теории полупроводниковых приборов, М., 1965. Федотов Я. А., Основы физики полупроводниковых приборов, 2 изд., М., 1970. СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение, пер. С англ., М., 1972. Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г., Физика полупроводников, М., 1977. Э. М. Эпштейн. Рис. 1. Схема p-n-перехода. Чёрные кружки — электроны.

Светлые кружки — дырки. Рис. 2. Вольтамперная характеристика р — n-перехода. U — приложенное напряжение. I - ток через переход. Is — ток насыщения. Unp — напряжение пробоя..