§ 23. Эффект выпрямления на p-n-переходе

Обратный ток. Выясним, как изменяются условия перехода носителей через p-n-переход, когда к нему приложена некоторая внешняя разность потенциалов, или, как ее часто называют, напряжение смещения.

Пусть источник внешней разности потенциалов присоединен к p-n-переходу таким образом, что плюс подан на n-область, а минус - на p-область. Такая полярность подключения внешнего источника обеспечивает создание в области p-n-перехода дополнительного электрического поля, совпадающего по направлению с контактным электрическим полем. Как и в случае контакта металла с полупроводником, таким образом включенное напряжение смещения называется обратным. Так как область перехода обеднена подвижными носителями и обладает гораздо большим сопротивлением, чем остальная часть полупроводника, то приложенная внешняя разность потенциалов практически вся будет падать на запорном слое и падением напряжения на остальных участках полупроводников можно пренебречь. Таким образом, напряжение U обратного смещения складывается с контактной разностью потенциалов U_к, благодаря чему потенциальный барьер в области p-n-перехода увеличивается по сравнению с его равновесным значением на eU (рис. 67, б):

Рис. 67

Сравнение рисунков 67, а и 67, б показывает, что внешняя разность потенциалов U смещает уровни в контактирующих областях на eU. Повышение потенциала n-области вызывает понижение относящихся к ней энергетических уровней, а понижение потенциала p-области обусловливает повышение соответствующих уровней. Сдвигаются, конечно, и уровни Ферми. Различие в положениях уровней Ферми в контактирующих областях после подачи напряжения смещения (рис. 67, б) указывает на нарушение состояния равновесия, имевшегося до приложения внешнего смещения (рис. 67, а).

Возрастание потенциального барьера на eU приводит к уменьшению электронной и дырочной составляющих диффузионного тока, текущего через переход: чем больше приложенное обратное смещение, тем выше потенциальный барьер и тем меньше число основных носителей, способных преодолеть его.

При некотором достаточно большом значении напряжения смещения диффузионный ток через переход полностью исчезает.

Наряду с уменьшением диффузионного тока происходит увеличение толщины обедненного слоя на границе раздела и возрастание его сопротивления, так как увеличение напряженности результирующего электрического поля (по сравнению с напряженностью контактного электрического поля) приводит к усилению эффекта выталкивания основных носителей из области p-n-перехода.

Ток проводимости, создаваемый потоками неосновных носителей, на напряжение смещения практически не реагирует: возросшее электрическое поле в области p-n-перехода лишь увеличивает скорость переноса неосновных носителей через переход, не изменяя числа этих носителей. Не влияет на силу тока проводимости и возрастание толщины обедненного слоя, так как оба поля (поле смещения и контактное поле) способствуют переходу неосновных носителей через этот слой.

Таким образом, обратное напряжение смещения ограничивает поток основных носителей настолько, что диффузионный ток не может компенсировать ток проводимости. При больших обратных смещениях диффузионный ток стремится к нулю и весь ток, текущий через переход, определяется практически только током проводимости, создаваемым неосновными носителями. Так как предельное значение силы тока проводимости не зависит от приложенного напряжения смещения, его называют током насыщения и обозначают через I_s (индекс s происходит от английского saturation - насыщение). Иногда этот ток называют тепловым неуправляемым током, что довольно точно отражает физический смысл.

Отметим, что симметричное утолщение области p-n-перехода по обе стороны от границы раздела наблюдается только в симметричном переходе. Когда же концентрация примесей в одной области больше концентрации примесей в другой (например, N_D > N_A), то расширение обедненной области произойдет в основном в сторону полупроводника, имеющего меньшую концентрацию легирующей примеси. Если степень легированности контактирующих областей отличается сильно, например, если то практически все возрастание толщины обедненного слоя приходится на слаболегированную область (на рис. 66, б эти изменения толщин слоев показаны пунктиром).

Прямой ток. Много большее нарушение равновесия наблюдается при подаче на p-n-переход прямого смещения (прямой разности потенциалов), когда положительный полюс источника внешнего напряжения присоединяется к p-области, а отрицательный полюс - к n-области. Смещение энергетических уровней контактирующих полупроводников приводит в этом случае к уменьшению потенциального барьера (рис. 67, в). Внешняя разность потенциалов U, вычитаясь из значения контактной разности потенциалов, приводит к снижению потенциального барьера до значения

Это сопровождается увеличением числа электронов, способных преодолеть барьер (чем ближе к дну зоны проводимости, тем выше плотность заселенности энергетических уровней электронами). Увеличение числа основных носителей преодолевающих барьер, обусловливает быстрый рост диффузионного тока. Кроме того, в этом случае поле смещения и контактное поле в области перехода имеют противоположные направления. Поэтому результирующее поле оказывается ослабленным, из-за чего сужается обедненная носителями область и уменьшается сопротивление p-n-перехода, что также способствует росту диффузионного тока.

Поскольку сила тока проводимости, сохраняющая неизменное значение и в случае прямого напряжения смещения, мала, то по мере возрастания этого напряжения и соответствующего увеличения диффузионного тока можно током проводимости пренебречь. Таким образом, ток, текущий через p-n-переход, в случае прямого напряжения смещения оказывается практически полностью обусловленным потоками основных носителей, то есть представляет собой диффузионный ток. Основные носители, преодолевшие p-n-переход и попавшие в соседнюю область, становятся в ней неосновными носителями, повышая тем самым концентрацию неосновных носителей в приконтактной области. Создающийся перепад концентрации вызывает диффузию избыточных неосновных носителей от p-n-перехода в глубь полупроводника, где они довольно быстро рекомбинируют. Чем больше прямое напряжение смещения, тем ниже потенциальный барьер и тем больше избыточная концентрация неосновных носителей в областях p-n-перехода. Поэтому с ростом прямого напряжения смещения увеличивается скорость процессов диффузии и рекомбинации и растет сила тока, текущего через переход. Когда напряжение смещения превысит контактную разность потенциалов, потенциальный барьер совсем исчезнет. Вместе с ним исчезнет и обедненная носителями область, после чего напряжение U-U_K окажется распределенным по всему образцу. Дальнейшее увеличение прямой разности потенциалов обусловит рост тока в соответствии с законом Ома:

где R - сопротивление всего образца.

Инжекция носителей. Вызванное прямым напряжением смещения проникновение основных носителей через p-n-переход, сопровождающееся повышением концентрации неосновных носителей в прилегающих к переходу областях, называется инжекцией неосновных носителей. Отношение избыточной концентрации неосновных носителей в непосредственной близости от p-n-перехода к равновесной концентрации основных носителей называется уровнем инжекции.

Если p-n-переход симметричен, то число электронов Δn_p, инжектированных из n-области в p-область, равно числу дырок Δp_n, инжектированных из p-области в n-область. При несимметричном переходе число носителей, инжектированных из более высоколегированной области, будет превышать встречный поток, а отношение избыточных концентраций носителей, инжектированных в соответствующие области, определится отношением концентраций основных носителей:

Если, например, в n-области концентрация атомов легирующей примеси в 1000 раз больше, чем в p-области, то и поток электронов из n-области в p-область будет в 1000 раз больше, чем встречный поток дырок. Так как снижение потенциального барьера, вызванное прямым напряжением смещения, в одинаковой степени облегчает как переход для дырок из p-области в n-область, так и для электронов из n-области в p-область, то дополнительный поток носителей будет больше из той области, в которой концентрация их больше.

При поток дырок, которые инжектируются в n-область из p-области, оказывается пренебрежимо малым по сравнению с встречным потоком электронов и можно считать, что весь диффузионный ток, текущий через p-n-переход, определяется только его электронной составляющей.

Область полупроводника, из которой происходит преимущественно инжекция, называется эмиттерной областью или просто эмиттером, а область, в которую происходит преимущественная инжекция, называется базовой областью или просто базой. В последнем примере эмиттером является n-область, а базой - p-область.

При несимметричном p-n-переходе как прямой, так и обратный ток создается практически носителями одного типа. Так, при как прямой ток, так и обратный ток создаются главным образом электронами, поскольку в высоколегированной области n-типа дырок (неосновных носителей) мало, а в слаболегированной p-области электронов гораздо больше.

Вольт-амперная характеристика p-n-перехода (рис. 68) имеет такой же вид, что и в случае контакта металл - полупроводник. Полный ток I_пр через переход при прямом смещении, равный разности между диффузионным током I_диф и током проводимости I_пров:

быстро растет по мере увеличения напряжения смещения благодаря увеличению диффузионного тока при неизменном токе проводимости. При положительном напряжении смещения, превышающем 0,1 В, когда током проводимости можно пренебречь, нарастание силы тока через переход практически происходит по экспоненциальному закону. Существенная нелинейность характеристики на начальном участке прямого тока обусловлена уменьшением толщины p-n-перехода и снижением его сопротивления с ростом прямого напряжения смещения в области малых его значений. При значениях прямого напряжения смещения порядка нескольких десятых долей вольта и выше характеристика становится практически линейной, так как в этой области потенциальный барьер φ, а вместе с ним и обедненная носителями область исчезают и приложенная разность потенциалов оказывается распределенной по всей длине образца (выполняется закон Ома).

Рис. 68

Обратный ток через переход всегда много меньше прямого. Поэтому при построении обратной ветви вольт- амперной характеристики перехода используют обычно другие масштабы: для силы тока - на 2-3 порядка больший, а для напряжения - на 2-3 порядка меньший (из-за этого в начале координат на вольт-амперной характеристике наблюдается излом, которого при построении в одинаковом масштабе нет). Обратный ток

на начальном участке довольно быстро растет за счет резкого уменьшения диффузионного тока с увеличением потенциального барьера. Однако уже при обратном напряжении смещения порядка 0,1-0,2 В рост этот прекращается. При больших напряжениях диффузионный ток падает практически до нуля и обратный ток становится равным току проводимости, который, как мы видели, почти не зависит от приложенного напряжения. Некоторый рост обратного тока на участке "насыщения" объясняется нагревом p-n-перехода самим током и другими побочными эффектами.

Выпрямительные свойства p-n-перехода характеризуются коэффициентом выпрямления, который определяется как отношение прямого тока к обратному току (при одинаковых по модулю напряжениях смещения). Обычно коэффициент выпрямления по порядку величины равен 10⁵-10⁷. Это значит, что p-n-переход обладает практически односторонней проводимостью.

Влияние температуры на выпрямляющие свойства p-n-перехода. При комнатной температуре большинство полупроводников, в том числе германий и кремний, находятся в состоянии "истощения" примесей: все примесные центры ионизированы. В таком состоянии донорные полупроводники имеют электронную проводимость, а акцепторные - дырочную. При нагревании полупроводника по мере приближения его температуры к температуре собственной проводимости T_i все более интенсивным становится процесс возбуждения собственных атомов полупроводника, сопровождающийся одновременным рождением свободных электронов и дырок. При T > T_i концентрация n_i собственных носителей становится больше концентрации "примесных" носителей, которые имеются в полупроводнике благодаря ионизации примесных центров. Полупроводник в этой области температур теряет свойства примесного полупроводника и превращается в собственный полупроводник. Его уровень Ферми при этом смещается в середину запрещенной зоны; исчезают потенциальный барьер и запорный слой, из-за чего p-n-переход теряет свои выпрямляющие свойства.

Температура собственной проводимости T_i зависит от ширины запрещенной зоны W_g полупроводника: чем больше W_g, тем выше T_i. Поэтому и температурный предел работы p-n-переходов определяется характеристиками материалов, на базе которых они выполнены. В германии, ширина запрещенной зоны которого W_g = 0,72 эВ, p-n-переход работает до температуры около 75°С, а в кремнии, у которого W_g = 1,12 эВ, рабочая температура может доходить до 150°С.