Полупроводниковые диоды. P – n-переход и его свойства

Область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным или p – n -переходом. На практике p – n -переход получают введением в примесный полупроводник дополнительной легирующей примеси. Например, у полупроводника
p -типа вводится донорная примесь. При соприкосновении двух полупроводников в пограничном слое происходит рекомбинация электронов и дырок. Свободные электроны из зоны полупроводников n -типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p -типа. В результате вблизи границы двух полупроводников образуется запирающий слой, лишенный подвижных носителей заряда и поэтому обладающий
высоким электрическим сопротивлением.

Кроме того, в n- области в приграничном слое образуется положительный объемный заряд, который создан положительными заряженными
атомами донорной примеси (так как электроны ушли в полупроводники р -типа), а в p -области образуется отрицательный объемный заряд, который
создан отрицательными заряженными атомами акцепторной примеси
(так как дырки были заполнены электронами из полупроводников n -типа).

Между образовавшимися объемными зарядами возникает
контактная разность потенциалов:

U _к = φ _n – φ _p.

На рисунке 21 показано распределение потенциала вдоль оси х, перпендикулярной границе раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят условно потенциал граничного слоя.

Возникшая разность потенциалов U _к создает в запирающем слое электрическое поле, препятствующее дальнейшему переходу электронам из
n -области в p -область и дырок из p -области в n -область, т. е. возникает потенциальный барьер.

В то же время электроны из полупроводника p -типа могут свободно двигаться в полупроводник n -типа так же, как дырки из полупроводника n -типа могут двигаться в полупроводник p -типа, т. е. контактная разность потенциалов препятствует движению основных носителей заряда и не препятствует движению неосновных носителей заряда. При движении
через p – n -переход неосновных носителей заряда возникает дрейфовый ток I _др. Движение небольшого количества основных носителей приводит к появлению диффузионного тока I _диф. Рассмотрим ситуацию при отсутствии внешнего напряжения.

В этом случае внешнее электрическое поле направлено навстречу полю контактной разности потенциалов. В результате высота потенциального барьера понижается, возрастает I _диф, который называют прямым током, сопротивление p – n -перехода резко снижается, уменьшается
также ширина запирающего слоя. Когда d = 0, то потенциальный барьер
в p – n -переходе исчезает и сопротивление p – n -перехода определяется
только сопротивлением полупроводника.

Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к n -области, а отрицательным полюсом – к p -области. Такое включение называется обратным.

Поле, создаваемое обратным напряжением U _обр, складывается с полем контактной разности потенциалов. Высота потенциального барьера увеличивается (рисунок 23), а также расширяется толщина запирающего слоя, так как с увеличением U _обр основные носители заряда будут удаляться от p – n -перехода.

При этом сопротивление p – n -перехода увеличивается, ток через p – n -переход становится очень малым. Такой p – n -переход обладает электрической емкостью, которая зависит от его площади, ширины, диэлектрической проницаемости запирающего слоя и называется барьерной емкостью.