§ 72. Односторонняя проводимость контактного слоя

Определения и обозначения

Контактный слой, или p–n-переход, — граница между областями полупроводника с разными типами проводимости: дырочной p и электронной n. Он регулирует движение зарядов через границу и поэтому может пропускать ток преимущественно в одном направлении. На этом свойстве основана работа полупроводникового диода.

Запирающий слой — область около p–n-перехода, обеднённая подвижными электронами и дырками. В ней остаются неподвижные ионы примесей, создающие электрическое поле. Запирающий слой образует препятствие для движения основных носителей и определяет проводимость перехода.

Прямое включение — подключение p-области к положительному полюсу источника, а n-области — к отрицательному. Такое подключение ослабляет внутренний барьер перехода. Поэтому основные носители легче проходят через границу, и ток быстро увеличивается.

Обратное включение — подключение p-области к отрицательному полюсу, а n-области — к положительному. Внешнее поле усиливает внутреннее поле перехода. Запирающий слой расширяется, и через него проходит только небольшой ток неосновных носителей.

Как это устроено

Когда p- и n-области соприкасаются, концентрация электронов велика в n-области, а концентрация дырок — в p-области. Поэтому носители самопроизвольно диффундируют туда, где их меньше: электроны переходят в p-область, а дырки — в n-область. Вблизи границы они встречаются и рекомбинируют, то есть электрон и дырка исчезают как свободные носители.

После рекомбинации в n-области около границы остаются положительно заряженные ионы донорной примеси, а в p-области — отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси. Эти ионы неподвижны в кристаллической решётке, поэтому около границы появляется область пространственного заряда. Она и образует запирающий слой, внутри которого возникает направленное электрическое поле.

Внутреннее поле действует на свободные носители так, чтобы вернуть их в свои области: электроны оно отталкивает от p-области, а дырки — от n-области. Поэтому поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через границу. В состоянии равновесия диффузионное движение и движение под действием внутреннего поля компенсируют друг друга, так что заметный ток без внешнего источника не течёт.

При прямом включении внешнее электрическое поле направлено противоположно внутреннему полю перехода. Потенциальный барьер для основных носителей уменьшается, а запирающий слой становится уже. Через границу проходит больше электронов и дырок, поэтому прямой ток с ростом напряжения увеличивается очень быстро.

При обратном включении внешнее поле складывается с внутренним. Запирающий слой расширяется, а потенциальный барьер становится выше, поэтому движение основных носителей почти прекращается. Однако неосновные носители всё же могут пересекать переход, создавая небольшой обратный ток; при достаточно большом обратном напряжении наступает пробой и ток резко возрастает.

Поведение p–n-перехода при разных способах включения

Сначала определите, к какому полюсу подключена каждая область, а затем сравните это с определениями прямого и обратного включения. После этого можно предсказать ширину запирающего слоя, высоту барьера и величину тока. В таблице направление тока указано условно для обычного, положительного движения зарядов.

Разбор задач

Задача 1

Условие: p-область соединена с положительным полюсом батареи, а n-область — с отрицательным. Требуется определить режим включения. Для решения достаточно сопоставить полярность с определением прямого включения.

1. Находим область, соединённую с положительным полюсом: это p-область.
2. Проверяем второе соединение: n-область подключена к отрицательному полюсу.
3. Обе связи совпадают с условием прямого включения, поэтому барьер уменьшается, а переход проводит значительный ток.

Ответ: включение прямое. Запирающий слой сужается, и при увеличении напряжения прямой ток резко возрастает.

Задача 2

Условие: напряжение на p–n-переходе изменяют с прямого на обратное. Нужно определить, как изменятся запирающий слой и ток. Сравним направления внешнего поля с внутренним полем перехода.

1. При прямом включении внешнее поле ослабляет внутреннее, поэтому запирающий слой узкий и через переход идут основные носители.
2. При смене полярности включение становится обратным, а внешнее поле начинает усиливать внутреннее.
3. Запирающий слой расширяется, движение основных носителей затрудняется, и большой прямой ток сменяется малым обратным током неосновных носителей.

Ответ: при переходе от прямого включения к обратному запирающий слой расширяется, а ток резко уменьшается по модулю и меняет направление.

Задача 3

Условие: по качественной вольт-амперной характеристике нужно определить режимы, направление тока и момент пробоя. На графике рассматривают отдельно область положительных и отрицательных напряжений. Наклон кривой показывает, как быстро меняется ток при изменении напряжения.

1. В области положительных напряжений после небольшого участка ток быстро растёт: это ветвь прямого включения, а ток является прямым.
2. В области отрицательных напряжений до резкого изменения кривой наблюдается малый почти постоянный ток: это обратное включение и ток неосновных носителей.
3. Резкий рост обратного тока отмечает пробой; на приведённом графике он начинается примерно при U = −6 В.

Ответ: положительная крутая ветвь соответствует прямому току, небольшая отрицательная ветвь — обратному току, а резкий рост на отрицательных напряжениях указывает на обратный пробой.

Типичные ошибки

Ток при обратном включении считают строго нулевым. Так думают из-за упрощённой модели «закрытого» перехода, но неосновные носители всё же движутся через него. Проверка: если на характеристике есть небольшой участок обратного тока до пробоя, модель применена правильно.

Путают прямое и обратное включение. Ошибка возникает, когда запоминают только слово «плюс», не называя область. Проверяйте себя полной фразой: при прямом включении p соединена с «+», а n — с «−».

Запирающий слой считают слоем неподвижных электронов и дырок. Подвижные носители, наоборот, уходят от границы и рекомбинируют, а остаются ионы примесей. Если в объяснении не упомянуты неподвижные ионы, оно неполно.

Любой резкий рост обратного тока называют разрушением. Обратный пробой может быть обратимым при ограниченном токе и допустимом режиме. Проверяйте вид пробоя, величину тока и условия работы перехода.

Связь с другими темами

До изучения p–n-перехода нужно знать строение полупроводников, электронную и дырочную проводимость, а также различать основные и неосновные носители заряда. Без этого трудно понять происхождение тока и запирающего слоя.

Тема опирается на представления об электрическом поле, потенциале и разности потенциалов. Именно сравнением внутреннего и внешнего полей объясняются прямое и обратное включения.

Знание p–n-перехода необходимо для изучения полупроводникового диода, выпрямления переменного тока, транзистора и электронных схем. Односторонняя проводимость позволяет управлять направлением тока в электрических устройствах.

Что запомнить

• p–n-переход образуется на границе областей с электронной и дырочной проводимостью.
• Диффузия носителей через границу приводит к возникновению запирающего слоя.
• Внутреннее электрическое поле запирающего слоя препятствует дальнейшей диффузии основных носителей.
• При прямом включении барьер уменьшается, и ток быстро возрастает.
• При обратном включении барьер увеличивается, поэтому проходит лишь небольшой ток неосновных носителей.
• Односторонняя проводимость является основным свойством полупроводникового диода.
• При превышении допустимого обратного напряжения возможен пробой p–n-перехода.