p-n-переход

p-n перехо́д или электронно-дырочный переход — область соприкосновения двух полупроводников с разными типами проводимости — дырочной (p, от англ. positive — положительная) и электронной (n, от англ. negative — отрицательная). Электрические процессы в p-n переходах являются основой работы полупроводниковых приборов с нелинейной вольт-амперной характеристикой (диодов, транзисторов и других➤).

Области пространственного заряда

P-n-переход находящийся в тепловом равновесии с нулевым напряжением смещения.
Концентрации электронов и дырок показаны соответственно синими и красными кривыми. Серые области электронейтральны. Светло-красная область имеет положительный объёмный заряд, голубая область — отрицательный.
Внизу показаны два противоположно действующих механизма, приводящих к состоянию равновесия и отсутствию тока через переход — диффузия носителей и электростатическое отталкивание.

В полупроводнике p-типа, который получается посредством введения акцепторной примеси, концентрация дырок намного превышает концентрацию электронов. В полупроводнике n-типа, который получается посредством донорной примеси, концентрация электронов намного превышает концентрацию дырок. Если между двумя такими полупроводниками установить контакт, то возникнет диффузионный ток — основные носители заряда (электроны и дырки) хаотично перетекают из той области, где их больше, в ту область, где их меньше, и рекомбинируют друг с другом. Как следствие, вблизи границы между областями практически не будет свободных (подвижных) основных носителей заряда, но останутся ионы примесей с некомпенсированными зарядами^[1]. Область в полупроводнике p-типа, которая примыкает к границе, получает при этом отрицательный заряд, приносимый электронами, а пограничная область в полупроводнике n-типа получает положительный заряд, приносимый дырками (точнее, теряет уносимый электронами отрицательный заряд).

Таким образом, на границе полупроводников образуются два слоя с пространственными зарядами противоположного знака, порождающие в переходе электрическое поле. Это поле вызывает дрейфовый ток в направлении, противоположном диффузионному току. В конце концов, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие, и изменение пространственных зарядов прекращается. Обеднённые области с неподвижными пространственными зарядами и называют p-n-переходом^[2].

Выпрямительные свойства

Устройство простейшего прибора, основанного на p-n-переходе — полупроводникового диода — и его символическое изображение на принципиальных схемах (треугольник обозначает p-область и указывает направление тока).

Если к слоям полупроводника приложено внешнее напряжение так, что создаваемое им электрическое поле направлено противоположно существующему в переходе полю, то динамическое равновесие нарушается, и диффузионный ток преобладает над дрейфовым током, быстро нарастая с повышением напряжения. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется прямым смещением (на область p-типа подан положительный потенциал относительно области n-типа).

Если внешнее напряжение приложить так, чтобы созданное им поле было одного направления с полем в переходе, то это приведёт лишь к увеличению толщины слоёв пространственного заряда. Диффузионный ток уменьшится настолько, что преобладающим станет малый дрейфовый ток. Такое подключение напряжения к p-n-переходу называется обратным смещением (или запорным смещением), а протекающий при этом через переход суммарный ток, который определяется в основном тепловой или фононной генерацией пар электрон-дырка, называется обратным током.

Ёмкость

Ёмкость p-n-перехода — это ёмкости объёмных зарядов, накопленных в полупроводниках на p-n-переходе и за его пределами. Ёмкость p-n-перехода нелинейна — она зависит от полярности и значения внешнего напряжения, приложенного к переходу. Различают два вида ёмкостей p-n-перехода: барьерная и диффузионная^[3].

Барьерная ёмкость

Барьерная (или зарядовая) ёмкость связана с изменением потенциального барьера в переходе и возникает при обратном смещении. Она эквивалентна ёмкости плоского конденсатора, в котором слоем диэлектрика служит запирающий слой, а обкладками — p и n-области перехода. Барьерная ёмкость зависит от площади перехода и относительной диэлектрической проницаемости полупроводника.

Диффузионная ёмкость

Диффузионная ёмкость обусловлена накоплением в области неосновных для неё носителей (электронов в p-области и дырок в n-области) при прямом смещении. Диффузионная ёмкость увеличивается с ростом прямого напряжения.

Воздействие радиации

Взаимодействие радиационного излучения с веществом — сложное явление. Условно принято рассматривать две стадии этого процесса: первичную и вторичную.

Первичные или прямые эффекты состоят в смещении электронов (ионизации), смещении атомов из узлов решётки, в возбуждении атомов или электронов без смещения и в ядерных превращениях вследствие непосредственного взаимодействия атомов вещества (мишени) с потоком частиц.

Вторичные эффекты состоят в дальнейшем возбуждении и нарушении структуры выбитыми электронами и атомами.

Наибольшего внимания заслуживают возбуждение электронов с образованием электронно-дырочных пар и процессы смещения атомов кристалла из узлов решетки, так как это приводит к образованию дефектов кристаллической структуры. Если электронно-дырочные пары образуются в области пространственного заряда, это приводит к возникновению тока, на противоположных контактах полупроводниковой структуры. Этот эффект используется для создания беттавольтаических источников питания со сверхдолгим сроком службы (десятки лет).

Облучение заряженными частицами большой энергии всегда приводит к первичной ионизации и, в зависимости от условий, к первичному смещению атомов. При передаче высоких энергий электронам решетки образуются дельта-излучение, высокоэнергетические электроны, которые рассеиваются от ионного трека, а также фотоны и рентгеновские кванты. При передаче атомам кристаллической решетки меньших энергий происходит возбуждение электронов и их переход в более высокоэнергетическую зону, в которой электроны термолизируют энергию путем испускания фотонов и фононов (нагрев) различных энергий. Наиболее общим эффектом рассеяния электронов и фотонов является эффект Комптона.

Методы формирования

Вплавление примесей

При вплавлении монокристалл нагревают до температуры плавления примеси, после чего часть кристалла растворяется в расплаве примеси. При охлаждении происходит рекристаллизация монокристалла с материалом примеси. Такой переход называется сплавным.

Диффузия примесей

В основе технологии получения диффузионного перехода лежит метод фотолитографии. Для создания диффузного перехода на поверхность кристалла наносится фоторезист — фоточувствительное вещество, которое полимеризуется засвечиванием. Неполимеризованные области смываются, производится травление плёнки диоксида кремния, и в образовавшиеся окна производят диффузию примеси в пластину кремния. Такой переход называется планарным.

Эпитаксиальное наращивание

Сущность эпитаксиального наращивания состоит в разложении некоторых химических соединений с примесью легирующих веществ на кристалле. При этом образуется поверхностный слой, структура которого становится продолжением структуры исходного проводника. Такой переход называется эпитаксиальным^[3].

Применение

Диод
Транзистор
Тиристор
Варикап
Стабилитрон (диод Зенера)
Светодиод
Фотодиод
Стабистор
pin диод
Бетавольтаические источники питания

Историческая справка

Официально признано, что p-n-переход открыл в 1939 году американский физик Рассел Ол в Лаборатории Белла^[4]. В 1941 году Вадимом Лашкарёвым был открыт p-n-переход на основе ${\ce {Cu2O}}$ и ${\ce {Ag2S}}$ в селеновых фотоэлементах и выпрямителях^[5].

См. также

Примечания

↑ Краткая теория, 2002.
↑ Электроника, 1991.
↑ ¹ ² Акимова Г. Н. Электронная техника. — Москва: Маршрут, 2003. — С. 28—30. — 290 с. — ISBN ББК 39.2111-08.
↑ Riordan, Michael. Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age / Michael Riordan, Lillian Hoddeson. — USA : W. W. Norton & Company, 1988. — P. 88–97. — ISBN 978-0-393-31851-7. Источник (неопр.). Дата обращения: 6 сентября 2020. Архивировано 29 июля 2020 года.
↑ Lashkaryov, V. E. (2008) [1941]. "Investigation of a barrier layer by the thermoprobe method" (PDF). Ukr. J. Phys. (англ.). 53 (special edition): 53—56. ISSN 2071-0194. Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2015.

Литература

А. П. Лысенко, Л. С. Мироненко. Краткая теория p-n-перехода / Рецензент: проф. Ф. И. Григорьев. — М.: МИЭМ, 2002.
В. Г. Гусев, Ю. М. Гусев. Электроника. — 2-е изд. — М.: «Высшая школа», 1991. — 622 с.
К. И. Таперо, В. Н, Улимов, А. М. Членов. Радиационные эффекты в кремниевых интегральных схемах космического применения. — М.: 2009 г. — 246 с.

[_41c829d1265354d6-1] Краткая теория, 2002.

[_f4836c39a1c5f8f3-2] Электроника, 1991.

[:0-3] ¹ ² Акимова Г. Н. Электронная техника. — Москва: Маршрут, 2003. — С. 28—30. — 290 с. — ISBN ББК 39.2111-08.

[4] Riordan, Michael. Crystal fire: the invention of the transistor and the birth of the information age / Michael Riordan, Lillian Hoddeson. — USA : W. W. Norton & Company, 1988. — P. 88–97. — ISBN 978-0-393-31851-7. Источник (неопр.). Дата обращения: 6 сентября 2020. Архивировано 29 июля 2020 года.

[5] Lashkaryov, V. E. (2008) [1941]. "Investigation of a barrier layer by the thermoprobe method" (PDF). Ukr. J. Phys. (англ.). 53 (special edition): 53—56. ISSN 2071-0194. Архивировано из оригинала (PDF) 28 сентября 2015.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]