§ 3.17. Электронно-дырочный переход (п—р-переход).

Определения и обозначения

p-область — область полупроводника, в которой основными носителями заряда являются дырки. Дырку удобно представлять как отсутствие электрона, которое ведёт себя как положительный подвижный заряд. Эта область образуется при введении акцепторных примесей, а её название помогает отличать её от области с электронной проводимостью.

n-область — область полупроводника, в которой основными носителями заряда являются электроны. Её создают донорные примеси, отдающие дополнительные электроны. Обозначение n помогает сразу установить, какие подвижные заряды преобладают в этой части кристалла.

Электронно-дырочный переход — граница контакта p- и n-областей полупроводника. Это не просто геометрическая линия: возле неё перераспределяются носители, возникает поле и формируется барьер. Понимание перехода нужно, чтобы объяснить действие диодов и других полупроводниковых приборов.

Обеднённый слой — область перехода, почти лишённая подвижных носителей заряда и содержащая неподвижные ионы примесей. Слово «обеднённый» указывает именно на малое количество подвижных электронов и дырок, а не на отсутствие зарядов вообще. Ионы в этом слое создают внутреннее электрическое поле.

Как это устроено

Чтобы получить p- и n-области, в один кристалл полупроводника вводят два типа примесей: акцепторные и донорные. Акцепторные примеси создают условия для появления подвижных дырок, а донорные дают дополнительные электроны. В результате в разных частях кристалла преобладают разные носители, хотя сами области остаются электрически нейтральными в целом.

Когда области соприкасаются, концентрация электронов по разные стороны границы неодинакова: в n-области их много, а в p-области мало. Поэтому электроны диффундируют из n в p; одновременно дырки переходят из p в n по той же причине — из области большей концентрации в область меньшей. У границы электроны и дырки встречаются и рекомбинируют, то есть исчезают как подвижные носители, компенсируя друг друга.

Уход электронов оставляет в n-области положительные неподвижные ионы донорной примеси, а уход дырок — отрицательные неподвижные ионы акцепторной примеси в p-области. Эти ионы закреплены в кристаллической решётке, поэтому не перемещаются вслед за носителями. Возле границы накапливаются заряды противоположных знаков, почти свободные электроны и дырки исчезают, и возникает обеднённый слой.

Заряды ионов создают электрическое поле, направленное от положительных ионов n-области к отрицательным ионам p-области. Поле действует на носители и препятствует их дальнейшей диффузии через переход: электроны оно отталкивает обратно в n-область, а дырки — в p-область. По мере разделения зарядов поле усиливается, пока при равновесии вызванное им дрейфовое движение не уравновесит диффузионное движение.

У перехода есть потенциальный барьер — препятствие для прохода основных носителей, связанное с внутренним полем. При прямом включении плюс источника подключают к p-области, а минус — к n-области: внешнее поле ослабляет внутреннее, барьер и обеднённый слой становятся меньше, ток резко возрастает. При обратном включении полюса меняют местами: поле усиливается, барьер увеличивается, и основные носители почти не проходят через переход. Небольшой обратный ток всё же возможен благодаря неосновным носителям.

Свойства p- и n-областей и электронно-дырочного перехода

Сначала сравни основные носители и знаки ионов: они показывают, откуда возникает поле перехода. Затем проследи, как подключение источника меняет барьер. Так таблица помогает определить, будет включение прямым или обратным и чего ожидать от тока.

Разбор задач

Задача 1. На границе p- и n-областей укажите направления диффузии электронов и дырок, знаки неподвижных ионов и направление внутреннего поля. Чтобы не перепутать знаки, сначала определим, какие носители уходят из каждой области. Затем проследим, какой заряд остаётся после их ухода.

1. Электронов больше в n-области, поэтому они диффундируют к границе и переходят в p-область. Дырок больше в p-области, поэтому они движутся в противоположную сторону — в n-область. Вблизи границы часть электронов и дырок рекомбинирует.

2. Уход электронов оставляет положительно заряженные неподвижные ионы доноров на стороне n. Уход дырок оставляет отрицательные неподвижные ионы акцепторов на стороне p. Вместе они образуют обеднённый слой.

3. Направление электрического поля определяют по движению положительного пробного заряда: от плюса к минусу. Следовательно, внутреннее поле направлено от n-области к p-области. Оно противодействует дальнейшей диффузии основных носителей.

Ответ: электроны диффундируют из n в p, дырки — из p в n; на стороне n остаются положительные ионы, на стороне p — отрицательные; поле направлено от n к p.

Задача 2. К p-области подключён положительный полюс источника, а к n-области — отрицательный. Определите, как изменятся ширина обеднённого слоя, барьер и ток. Здесь важно не только увидеть знаки полюсов, но и сравнить создаваемое источником поле с внутренним полем перехода.

1. Плюс соединён с p-областью, минус — с n-областью, значит, переход включён прямо. Внешнее поле действует против внутреннего поля перехода. Поэтому потенциальный барьер ослабевает.

2. При меньшем барьере основные носители легче пересекают границу: дырки движутся из p в n, электроны — из n в p. Обеднённый слой сужается, потому что внешнее напряжение способствует сближению основных носителей с переходом. Численное значение ширины без заданных параметров определить нельзя.

3. Через переход проходит намного больше основных носителей, поэтому ток резко возрастает. Это качественный вывод: его величину нельзя вычислить, если не заданы напряжение и характеристики полупроводника.

Ответ: включение прямое; обеднённый слой сужается, потенциальный барьер уменьшается, ток резко возрастает.

Задача 3. Сравните работу перехода при прямом и обратном включении и объясните, почему диод проводит преимущественно в одну сторону. Решая задачу, будем сравнивать воздействие внешнего поля на барьер, а затем учитывать, какие носители способны пересечь переход.

1. При прямом включении внешний источник ослабляет внутреннее поле и уменьшает барьер. Основные носители получают возможность массово проходить через переход, поэтому ток становится большим. Такое включение соответствует соединению плюса с p-областью и минуса с n-областью.

2. При обратном включении внешний источник усиливает внутреннее поле и увеличивает барьер. Основным носителям труднее пересечь переход, и их ток практически прекращается. Однако неосновные носители — немногочисленные электроны в p-области и дырки в n-области — поле переносит через переход.

3. Ток при обратном включении не равен строго нулю, но намного меньше прямого. Поэтому при смене направления напряжения ток меняется резко. Это свойство называется односторонней проводимостью и позволяет диоду выпрямлять ток.

Ответ: при прямом включении барьер уменьшается и ток велик; при обратном барьер растёт и остаётся небольшой ток неосновных носителей. Диод проводит преимущественно в прямом направлении.

Типичные ошибки

Поле иногда ошибочно направляют от отрицательных ионов к положительным. Такое направление получилось бы при движении отрицательного заряда, но направление поля определяют по силе, действующей на положительный пробный заряд. Проверка: поле всегда направлено от положительных зарядов к отрицательным, значит, здесь — от n-области к p-области.

Диффузию носителей можно спутать с направлением электрического тока. Электроны движутся противоположно условному направлению тока, который создают, а дырки — в том же направлении. Проверяй, о чём говорится в задаче: о перемещении электронов или о направлении тока; эти ответы для электронов будут противоположными.

Неверно считать, что при контакте все электроны и дырки рекомбинируют. Рекомбинация идёт преимущественно возле границы, а в глубине областей сохраняется множество подвижных носителей. Сам факт существования равновесного барьера показывает, что переход не уничтожает носители полностью: диффузия уравновешивается дрейфом в поле.

Обратное включение не означает полного отсутствия тока. Поле переносит через переход неосновные носители, хотя их мало, поэтому обратный ток невелик. Если в объяснении сказано «ток равен нулю», проверь, учтены ли электроны в p-области и дырки в n-области.

Связь с другими темами

Для понимания перехода нужны знания о примесной проводимости, электронных и дырочных носителях, диффузии и действии электрического поля на заряды. В дальнейшем эта модель поможет разобраться в полупроводниковом диоде, его вольт-амперной характеристике и выпрямителях: изменение барьера объясняет зависимость тока от напряжения. Тот же принцип важен при изучении транзисторов, светодиодов и фотодиодов, где переходы управляют движением носителей или связаны с излучением и поглощением света.

Что запомнить

• p-n-переход образуется на границе p- и n-областей одного полупроводника.
• Основными носителями в p-области являются дырки, а в n-области — электроны.
• Диффузия носителей у границы создаёт обеднённый слой и внутреннее электрическое поле.
• В равновесии диффузионный и дрейфовый токи через переход взаимно компенсируются.
• При прямом включении потенциальный барьер уменьшается, а ток резко возрастает.
• При обратном включении потенциальный барьер увеличивается, поэтому проходит лишь небольшой обратный ток.
• Односторонняя проводимость p-n-перехода лежит в основе работы полупроводникового диода.