Энергетические диаграммы pn-перехода (a-прямое смещение; б-обатное). Вольт-амперная характеристика pn-перехода

Если в полупроводниковом кристалле контактируют области с разным типом проводимости (p- и n-типа), то между ними также возникает потенциальный барьер, так называемый электронно-дырочный переход или pn-переход. Рассмотрим как он появляется и каковы его физические свойства.

При возникновении контакта двух полупроводников, в одном из которых высока концентрация дырок (p-тип), а в другом - свободных электронов (n-тип) вследствие теплового движения начинается диффузия основных носителей заряда из "родного" полупроводника в соседний, где концентрация таких частиц во много раз меньше. Дырки переходят из p-полупроводника в n-полупроводник, электроны - из n- в p-полупроводник.

В результате диффузии электронов из n-области в дырочную и дырок из p-области в электронную на границе между этими областями образуется двойной слой разноименных зарядов, и, следовательно, контактная разность потенциалов, которая в случае pn-перехода выше, чем на контакте “металл-полупроводник” и составляет 0,4...0,8В.

При этом, также как и в случае контакта "металл-полупроводник", на границе возникает электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу носителей заряда. То есть, в приграничной области происходит изгиб зон таким образом, что для перехода из одного полупроводника в другой носителям требуется дополнительная энергия. В p-полупроводнике зоны изгибаются вниз, создавая потенциальный барьер для дырок, в n-полупроводнике изгибаются вверх - потенциальный барьер для электронов (см. рис.).

В приграничном слое возникает динамическое равновесие: рекомбинирующие носители заменяются новыми, но общее количество носителей остается постоянным.

При прямом смещении, когда положительный потенциал подан на p-область, дырки устремляются навстречу электронам, которые, преодолевая пониженный потенциальный барьер в области pn-перехода попадают в p-область. При этом происходит рекомбинация электронов и дырок. Вследствие этого "чужие" носители заряда не проникают глубь полупроводников, погибая в области pn-перехода. Протекание тока при этом можно представить в виде двух потоков - электронов и дырок, которые втекают в область рекомбинации с противоположных сторон. С увеличением напряжения возрастают скорости втекающих электронов и дырок и, соответственно, скорость их рекомбинации.

Для pn-перехода прямая ветвь ВАХ pn-перехода такая же, как и в предыдущем случае. В области малых напряжений энергия электрического поля затрачивается в основном на компенсацию контактного электрического поля и понижение потенциального барьера. Поскольку при этом лишь малая часть носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, то сопротивление контакта еще велико, ток через контакт незначительный и соответствующий этой ситуации участок 0A прямой ветви ВАХ имеет слабый наклон. При дальнейшем увеличении напряжения энергия носителей оказывается достаточной для преодоления потенциального барьера и ток резко возрастает (участок AB на ВАХ). Для одного и того же полупроводникового материала основное отличие ВАХ контакта "металл-полупроводник" и pn-перехода заключается в том, что высота потенциального барьера pn-перехода обычно больше, чем у барьера Шоттки и точке А соответствует большее напряжение.

При обратном смещении pn-перехода основные носители заряда оттягиваются отpn-перехода, высота потенциального барьера для них повышается (см. рис.), поэтому основные носители заряда не участвуют в создании электрического тока. Ток образуется неосновными носителями, концентрация которых гораздо меньше. Поэтому ток, протекающий при обратном смещении, гораздо меньше тока при прямом смещении.

Обратная ветвь ВАХ pn-перехода полностью аналогична соответствующей характеристике контакта "металл-полупроводник".