§ 73. Электронно-дырочный переход в полупроводниках

Рассмотрим явления, происходящие в области контакта между полупроводниками с дырочной р- и электронной n-проводимостью. В полупроводнике с р-проводимостью наблюдается избыток дырок, а с n-проводимостью - свободных электронов. Схематически это показано на рис. 103, а. При соприкосновении таких полупроводников вследствие того, что электроны и дырки имеют заряды противоположного знака, свободные электроны из n-полупроводника проникают в р-полупроводник, а дырки из р-полупроводника в n-полупроводник. Ближайший к границе раздела участок n-проводника зарядится положительно (рис. 103, б) за счет имеющихся в этом участке положительных ионов примеси и проникших сюда дырок. Ближайший к границе раздела участок р-проводника зарядится отрицательно за счет имеющихся в этом участке отрицательных ионов примеси и проникших в него свободных электронов.

Рис. 103. Образование запирающего слоя

Между противоположно заряженными соприкасающимися участками образуется внутреннее электрическое поле с напряженностью _k, которое препятствует диффузии электронов и дырок. При определенном значении напряженности этого поля в областях границы раздела наступает динамическое равновесие, т. е. диффузионный поток дырок в n-участок равен встречному потоку дырок в р-участок (рис. 103, в). То же наблюдается и у электронов: в n-участке их больше, чем в р-участке, но переходу электронов в р-участок препятствует отрицательное поле ионов и одноименное с ним все усиливающееся поле перешедших сюда электронов из n-участка, а переходу электронов из р-участка в n-участок положительное поле ионов и дырок помогает (см. рис. 103, б). В результате электронные токи справа и слева равны: I_{эл. диф} = I_{эл. пров}. То же можно сказать и о дырочных токах: I_{дыр. диф} = I_{дыр. пров}. Именно по этой причине и нет тока в полупроводнике.

Между участками контактов р- и n-полупроводников устанавливается постоянная контактная разность потенциала U = φ₂ - (-φ₁).

У германиевых р- и n-контактов U = 0,34÷0,7 в. Даже при небольшой контактной разности потенциалов ввиду очень малого расстояния между зарядами, создающими внутреннее электрическое поле, напряженность этого поля получается значительной, т. е. в нем действуют очень большие силы электрического притяжения и отталкивания. Под действием этих сил из пограничных областей вытесняются свободные электроны и дырки. В результате образуется весьма тонкий слой АВ (0,00005÷0,003 мм) полупроводника, почти лишенный свободных электронов и дырок, который называется запирающим слоем. Все внутреннее электрическое поле сосредоточено в нем; остальные части полупроводников не заряжены.

В запирающем слое АВ концентрация носителей тока (свободных электронов и дырок) в 10000 раз меньше, чем в других частях полупроводника. По этой причине запирающий слой обладает очень большим удельным сопротивлением.

Рис. 104. Действие электрического поля источника тока на запирающий слой

Рассмотрим свойство запирающего слоя. Допустим, что р-полупроводник (дырочный) соединен с отрицательным полюсом источника напряжения (в этом случае напряженность Е_k поля контакта полупроводников и напряженность Е поля источника совпадают), а n-полупроводник (электронный) - с положительным полюсом источника (рис. 104, а). Это вызовет увеличение напряженности в запирающем слое (Е_k + Е), и динамическое равновесие заряженных частиц в нем нарушится. Диффузионные потоки дырок и электронов, направленные против основных носителей заряда, уменьшаются, так как теперь требуется большая энергия для преодоления тормозящего действия р-n-перехода, и найдется мало дырок и электронов, обладающих такой энергией. Под действием электрического поля источника встречные потоки свободных электронов и дырок, которые создают ток проводимости, останутся почти неизменными и начнут преобладать над диффузионными потоками. Поэтому появляется результирующий ток, направленный из n-области в р-область. Электрический ток, протекающий по полупроводнику под действием электрического поля источника тока от слоя n-проводимости к слою р-проводимости, называется обратным током I_обр.

Образованию обратного тока можно дать и такое объяснение. Под действием напряженности Е_k электрического поля областей контакта и напряженности Е электрического поля источника тока в р-полупроводнике дырки начнут перемещаться от границы раздела к отрицательному полюсу источника, а электроны в n-полупроводнике - к положительному. Вследствие этого увеличивается ширина (объем) запирающего слоя АВ. В единице его объема уменьшается число свободных носителей заряда (дырок, электронов). В результате этого сопротивление запирающего слоя увеличивается настолько, что по полупроводнику проходит очень малый обратный ток (микроамперы). Так как обратный ток очень мал, то практически считают, что запирающий слой в направлении от n-проводимости к р-проводимости ток не пропускает.

Если изменить направление внешнего электрического поля, т. е. полупроводник с электронной проводимостью соединить с положительным полюсом источника тока, а дырочный - с отрицательным полюсом (рис. 104, б), это вызовет ослабление электрического поля (Е - Е_k) в запирающем слое, а следовательно, нарушение динамического равновесия. Диффузионные потоки дырок слева направо и электронов справа налево резко возрастут, в то время как встречные потоки электронов и дырок останутся неизменными. Следовательно, через полупроводник потечет ток в направлении от р-области к n-области. Электрический ток, протекающий по полупроводнику под действием электрического поля источника тока от слоя р-проводимости к слою n-проводимости, называется прямым током I_пр.

Образованию прямого тока можно дать и такое объяснение. Электрическое поле в запирающем слое перемещает электроны и дырки навстречу друг к другу к границе раздела. Ширина (объем) запирающего слоя АВ уменьшается, это приводит к увеличению свободных носителей заряда в единице его объема. Сопротивление запирающего слоя в результате этого уменьшается, и по полупроводнику проходит ток.

При прохождении прямого тока через полупроводник в пограничных слоях происходит рекомбинация электронов и дырок. Убыль электронов в полупроводнике n-проводимости компенсируется их поступлением из проводника, соединенного с отрицательным полюсом источника, а убыль дырок компенсируется уходом электронов из полупроводника р-проводимости к положительному полюсу источника. В замкнутой цепи этот процесс происходит непрерывно, непрерывно существует и прямой ток.

Таким образом, запирающий слой обладает односторонней проводимостью, т. е. ток в одном направлении пропускает, а в противоположном - нет. Односторонней проводимостью обладает пограничный слой не только между полупроводниками, но и между полупроводниками и металлом.