Електронний - дірковий перехід без зовнішньої дії

У напівпровідникових приладах і мікросхемах застосовують кристали, в яких можна виділити області власного напівпровідника (i -типа), області з донорними (n -типа) і акцепторними (р -типа) домішками, межі між напівпровідниками з різними типами провідності і з різною концентрацією домішки, шари між напівпровідником і металом для організації зовнішніх виводів або інших функціональних призначень.

Межу між двома областями напівпровідника з різними типами провідності називають електронно-дірковим переходом або p - n - переходом. Переходи між двома областями напівпровідника одного і того ж типу електропровідності, але з різними значеннями питомої електричної провідності називають ізотипними переходами. Розрізняють ізотипні електронно-електронний (n - n+) і дірково-дірковий (р-р+) переходи, причому знак "+" відмічає область з вищою концентрацей відповідних носіїв заряду, отриманою за рахунок більшої концентрації домішок.

Залежно від використовуваних в переходах матеріалів їх розділяють на гомогенні і гетерогенні. Гомогенним переходом називають перехід, створений в одному напівпровідниковому матеріалі (тільки у германії, тільки в кремнії, тільки в арсеніді галію). Гетерогенний перехід створюється на межі різних напівпровідникових матеріалів: германій-кремній, кремній-арсенід галію.

Залежно від характеру змін концентрації домішок на межі розрізняють ступінчастий і плавний p - n -переходы; у ступінчастому переході зміна концентрації має стрибкоподібний характер. Тут концентрація домішок на межі змінюється на відстані, сумірному з дифузійною довжиною L. У плавному переході такі зміни відбуваються на відстані, значно L, що перевищує.

Особливу роль грають переходи метал-напівпровідник (МП), що є невід'ємною частиною кожного напівпровідникового приладу. Розрізняють невипрямляючі (чи омічні) і випрямляючі переходи МП. Випрямляючі переходи мають характеристики, залежні від напряму і величини прикладеної до них напруги.

Будь-який електричний перехід не може бути створений шляхом простого зіткнення двох напівпровідникових кристалів. Для їх виготовлення використовують спеціальні технологічні прийоми. Нині найбільш поширені сплавні і дифузійні переходи.

Для виготовлення сплавного переходу на поверхні чистого напівпровідника зміцнюють невелику "пігулку" домішки і поміщають в піч, де відбувається її нагрів до температури нижче за точку плавлення напівпровідника, але вище за точку плавлення домішки. В результаті відбувається вплавлення в кристал домішки і формування p - n -перехода.

Для виготовлення дифузійного p - n -перехода спочатку напівпровідникову пластину із захисним окисним шаром заздалегідь обробляють, створюючи "вікна" заданої конфігурації на її поверхні, а потім через них проводять дифузію домішки.1

При створенні технологічного контакту матеріалів з різними типами провідності в області межі утворюється невеликий шар, який і називається власне p, - n -переходом (рис.1.2)

Мал. 1.2

У цій області протилежно заряджені нерухомі іони домішок створюють відразливе поле для основних носіїв заряду, і останні йдуть із зони зіткнення. При цьому рух основних носіїв здійснюється за рахунок дифузії і рекомбінації з неосновними носіями. Для неосновних носіїв (дірок в напівпровіднику n -типа і електронів в напівпровіднику р-типа) поле зарядів є прискорюючим, і вони дрейфують до "сусідів".

В результаті на межі утворюється збіднений носіями обох типів шар, він має великий питомий опір.

Подвійний шар зарядів нерухомих іонів домішок в шарі не компенсовані електронами і дірками, що створює внутрішнє електричне поле з напряженностьюЕ. Це поле перешкоджає переходу дірок з області р в область n і електронів з області n в область р. Але воно ж створює дрейфовий потік, що переміщає дірки з області n в область р і електрони з області р в область n (дрейф неосновних носіїв). Збіднений шар і є p - n -переход.

У сталому режимі дрейфовий потік дорівнює дифузійному. При однаковій концентрації основних носіїв заряду справа і зліва від межі, p - n -переход симетричний. Якщо концентрації не однакові, то говорять про несиметричному p - n -переходе. В цьому випадку шар з більшою концентрацією основних носіїв (меншим питомим опором або більшою провідністю) називають емітером, а з меншою концентрацією - базою. У базі ширина збідненого шару ширша.

Поле Е оцінюється потенційним бар'єром для основних носіїв, який перешкоджає їх дифузії в напівпровідник іншого типу. У електротехніці величину потенціалу визначають як роботу на переміщення одиничного позитивного заряду. При цьому графік розподілу потенціалів уздовж переходу має вигляд, представлений на рис.1.3.

Мал. 1.3

За відсутності зовнішнього поля величина потенційного бар'єру (чи контактна різниця потенціалів) визначається співвідношенням

(1.2)

де е = 1,6·10-19 кул - заряд електрона, k = 1,38·10-23 - постійна Больцмана, Т- абсолютна температура, NА, NД - концентрація атомів акцепторів і донорів, nр, nn -концентрации дірок і електронів в р і n -областях, - температурний потенціал. Для кімнатної температури температурний потенціал складає приблизно 0,025 вольт. Ширину (чи товщину) несиметричного різкого p - n -перехода можна вичислити по формулі

(1.3)

Вона складає зазвичай одиниці мікрометрів.

Як випливає з формули (1.3) для збільшення ширини p - n -перехода треба використовувати слабо леговані напівпровідники, а для створення вузького переходу - сильно леговані.