Получение односторонней проводимости

1.2. Получение односторонней проводимости

На границе соединения слоёв с разным типом проводимости положительные ионы донорной примеси слоя n притягивают отрицательные ионы акцепторной примеси слоя p. В результате в области p-n перехода (х) увеличивается концентрация ионизированных атомов примеси. Однако положительные ионы донорной примеси слоя n также отталкивают «дырки» слоя p, и наоборот, отрицательные ионы акцепторной примеси слоя p отталкивают электроны слоя n.

Рис. 1.3. Распределение зарядов внутри полупроводников с разным типом проводимости

Получилось, что соединение пластин вызвало перемещение зарядов, не изменив при этом абсолютного значения общего заряда, который как был, так и остался равным нулю: .

Если теперь к получившейся структуре, состоящей из двух слоёв n и p и перехода х между ними, подключить источник внешнего напряжения, можно убедиться в том, что такая структура обладает односторонней проводимостью.

При прямой полярности внешнего источника (+ к слою p, - к слою n) через открытый p-n переход будет проходить прямой ток значительной величины. Однако прохождение тока начнётся только тогда, когда внешнее напряжение превысит внутреннюю разность потенциалов (пороговое напряжение U_пор), которое определяется концентрацией ионизированных атомов примеси области х p-n перехода. Величина порогового напряжения зависит от материалов исходного полупроводника и примесей. Обычно для германия U_пор  0,2 В, для кремния U_пор  0,4…0,5 В.

При обратной полярности внешнего источника ( к слою p, + к слою n) через закрытый p-n переход будет проходить обратный ток весьма малой величины (в 10³…10⁵ раз меньше прямого тока открытого перехода). Величина обратного тока будет слабо зависеть от величины обратного напряжения, но будет зависеть от температуры, увеличиваясь примерно в два раза на каждые 10 ⁰С прироста температуры. Однако при превышении допустимой величины обратного напряжения напряжённость электрического поля в области х может превысить допустимую электрическую прочность для данного материала, и обратный ток начнёт резко возрастать. Это явление исследовал американский физик Кларенс Мэлвин Зенер (Clarence Melvin Zener). В его честь величина обратного напряжения, допустимая для полупроводникового материала, называется напряжением Зенера.

Зависимость тока через p-n переход от величины приложенного напряжения называется вольтамперной характеристикой (ВАХ). Примерный вид ВАХ представлен на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Вольтамперная характеристика p-n перехода

На рисунке отмечен максимально допустимый прямой ток I_{пр.макс}, при превышении которого происходит перегрев полупроводниковой структуры из-за рассеивания на ней тепла , а также напряжение Зенера, при котором наступает резкое возрастание обратного тока.

По ВАХ можно определить сопротивление p-n перехода при прямом и обратном смещении. Различают статическое и динамическое сопротивление.

Статическое сопротивление определяется по закону Ома для абсолютных значений напряжения и тока

прямое ; обратное ; (1.1)

а динамическое (дифференциальное) сопротивление  для приращений напряжения и тока

прямое ; обратное . (1.2)