§ 115. Электрический ток через контакт полупроводников р- и л-типов

Определения и обозначения

Полупроводник p-типа — материал, в котором основные носители заряда — дырки, возникающие из-за акцепторной примеси. Дырка — это отсутствие электрона, которое ведёт себя как положительный заряд. Тип проводимости помогает понять, какие частицы будут преимущественно двигаться при контакте с другой областью.

Полупроводник n-типа — материал, в котором основные носители заряда — электроны, возникающие из-за донорной примеси. Электроны имеют отрицательный заряд и могут перемещаться по кристаллу. Обозначения p и n указывают на тип основных носителей, а не на суммарный заряд всего материала.

p-n-переход — область контакта полупроводников p- и n-типа, в которой формируется особый электрический барьер. Это не просто геометрическая граница: возле неё меняется распределение носителей и возникает внутреннее поле. Понятие перехода нужно, чтобы объяснить, почему ток через диод зависит от полярности подключения.

Запирающий слой — обеднённая свободными носителями область у p-n-перехода, содержащая неподвижные ионы примесей. Слово «неподвижные» означает, что ионы закреплены в кристаллической решётке и не переносят ток через материал. Именно этот слой вместе с внутренним полем создаёт препятствие для движения основных носителей.

Как это устроено

В p-области много дырок, а в n-области — электронов. Поэтому после соприкосновения граничащих материалов электроны распространяются из n-области в p-область, а дырки — из p-области в n-область. Такое самопроизвольное перемещение из области большей концентрации в область меньшей называется диффузией; она происходит из-за неравномерного распределения частиц, а не из-за подключённой батареи.

Перейдя границу, электрон может встретиться с дыркой и рекомбинировать: свободный электрон занимает место, где его не хватало. Вблизи контакта свободных электронов и дырок становится меньше. При этом остаются ионы примесей: в n-области — положительные донорные ионы, а в p-области — отрицательные акцепторные ионы. Они не могут свободно уйти, поскольку входят в кристаллическую решётку, и вместе образуют запирающий слой.

Оставшиеся ионы разделены по знаку, поэтому у перехода возникает внутреннее электрическое поле. Оно действует на заряженные частицы и препятствует дальнейшей диффузии основных носителей: дырок из p-области и электронов из n-области. Так появляется потенциальный барьер — энергетическое препятствие для перехода носителей через границу. В равновесии поле не отменяет теплового движения, но его действие уравновешивает диффузию.

При прямом включении положительный полюс источника соединяют с p-областью, а отрицательный — с n-областью. Внешнее поле направлено так, что ослабляет внутреннее поле перехода, поэтому потенциальный барьер становится ниже, а запирающий слой — уже. Основным носителям легче пересечь границу: электроны и дырки проходят через переход, и сила тока заметно возрастает при увеличении напряжения. Этот режим позволяет диоду хорошо проводить ток.

При обратном включении плюс соединяют с n-областью, а минус — с p-областью. Внешнее поле усиливает внутреннее, поэтому барьер повышается, а запирающий слой расширяется и основным носителям труднее пройти через контакт. Однако ток не становится строго нулевым: небольшое количество неосновных носителей переносится через переход под действием поля. При чрезмерном обратном напряжении возможен пробой — резкое увеличение тока, способное повредить прибор, если ток не ограничен.

Поведение p-n-перехода при разных условиях

Сначала найдите полярность источника относительно p- и n-областей: это сразу показывает режим включения. Затем сравните ширину слоя и высоту барьера — они меняются в одном направлении. Последняя строка помогает различить, какие именно носители создают ток.

Разбор задач

Основные носители и их движение

Условие. Укажите основные носители заряда в полупроводниках p- и n-типа и объясните, какие частицы начинают двигаться навстречу друг другу после их соединения. Нужно не смешивать основные носители с теми частицами, которые могут присутствовать в меньшинстве.

1. Вспоминаем обозначения: в p-полупроводнике основными носителями являются дырки, в n-полупроводнике — электроны.
2. После контакта концентрация электронов выше со стороны n-области, поэтому часть электронов диффундирует в p-область. Концентрация дырок выше со стороны p-области, поэтому дырки движутся в n-область.
3. Эти движения направлены навстречу друг другу через границу. У неё носители могут рекомбинировать, что приводит к дальнейшему формированию запирающего слоя.

Ответ: основные носители в p-области — дырки, в n-области — электроны; после контакта электроны идут из n в p, а дырки — из p в n.

Прямое включение диода

Условие. Положительный полюс источника соединён с p-областью диода. Определите режим включения и изменения запирающего слоя и тока. Для решения достаточно сопоставить полярность с определением прямого включения, а затем проследить действие внешнего поля.

1. Прямое включение — это соединение плюса с p-областью, а минуса с n-областью. В условии сказано только о плюсе, поэтому предполагаем обычное подключение второго полюса к n-области.
2. Внешнее поле ослабляет внутреннее поле p-n-перехода. Из-за этого потенциальный барьер снижается, а ширина запирающего слоя уменьшается.
3. Основным носителям становится легче проходить границу. Поэтому через диод течёт значительный ток, который быстро растёт с напряжением.

Ответ: включение прямое; запирающий слой и барьер уменьшаются, ток увеличивается.

Смена полярности в цепи с резистором

Условие. Диод последовательно соединён с резистором и источником. После смены полярности источника ток резко уменьшается; требуется объяснить причину и указать, какой элемент ограничивает ток. Здесь важно разделить две роли: диод задаёт направление предпочтительного тока, а резистор ограничивает его величину.

1. Смена полярности превращает прямое включение в обратное (или наоборот). Если после переключения плюс оказался у n-области, а минус у p-области, диод включён обратно.
2. При обратном включении потенциальный барьер и запирающий слой увеличиваются, поэтому основные носители почти не проходят через переход. Остаётся лишь небольшой ток неосновных носителей, если пробой ещё не наступил.
3. Следовательно, ток цепи резко уменьшается из-за диода. Резистор не создаёт одностороннюю проводимость, но ограничивает ток, в том числе защищая диод от опасного увеличения тока.

Ответ: обратное включение подавляет ток благодаря увеличению барьера; величину тока ограничивает резистор.

Типичные ошибки

Ошибка: считать p- и n-области заряженными соответственно положительно и отрицательно. Так можно решить по буквам p и n, но это неверно: в целом обе области электронейтральны, потому что заряды носителей компенсируются зарядами ионов примесей. Проверка: различайте суммарный заряд области и локальное разделение зарядов у перехода.

Ошибка: путать движение электронов с направлением условного тока. Электрон имеет отрицательный заряд, поэтому направление условного тока противоположно его движению. Путаница возникает, если любую частицу считать положительной. Проверка: для электронов поменяйте направление на обратное, а для положительно заряженных дырок условный ток совпадает с направлением движения.

Ошибка: считать любое подключение диода прямым. Сам факт соединения с источником ничего не говорит о режиме: важна полярность. Прямое включение только одно — плюс к p, минус к n. Проверка: перед выводом запишите обе области и отметьте, к какой подключён каждый полюс.

Ошибка: утверждать, что при обратном включении ток равен нулю. Так говорят, потому что обратный ток очень мал по сравнению с прямым, но он всё же есть из-за неосновных носителей. При чрезмерном напряжении возможен пробой. Проверка: формулируйте «ток мал до пробоя», а не «тока нет».

Связь с другими темами

Для понимания перехода нужны знания о строении атома и примесях: они объясняют появление электронов и дырок. Также пригодятся понятия диффузии и электрического поля, которые помогают проследить формирование барьера и запирающего слоя. Изучение p-n-перехода подготавливает к теме полупроводникового диода, выпрямления переменного тока и вольт-амперной характеристики. Этот же принцип используют в транзисторах, светодиодах, фотодиодах и других полупроводниковых приборах.

Что запомнить

• В p-полупроводнике основные носители — дырки, в n-полупроводнике — электроны.
• При контакте p- и n-областей возникает диффузия основных носителей.
• У границы образуется запирающий слой и внутреннее электрическое поле.
• Прямое включение уменьшает потенциальный барьер и обеспечивает большой ток.
• Обратное включение увеличивает потенциальный барьер и резко ограничивает ток.
• p-n-переход обладает односторонней проводимостью.
• При достаточно большом обратном напряжении может наступить электрический пробой.