p-n-переход

p-n-переход — это область контакта двух полупроводников с разными типами электропроводности: электронной (n-тип) и дырочной (p-тип). Представляет собой тонкий слой (обычно доли микрометра), в котором происходит взаимная диффузия основных носителей заряда, образование объёмного заряда и потенциального барьера. p-n-переход является основным функциональным элементом большинства полупроводниковых приборов — диодов, транзисторов, тиристоров, солнечных элементов и светодиодов.

Физика процесса

Контакт полупроводников разного типа

В полупроводнике n-типа основными носителями заряда являются электроны, а в полупроводнике p-типа — дырки. При сближении двух областей начинается диффузия: электроны из n-области переходят в p-область, а дырки из p-области — в n-область. Этот процесс обусловлен разностью концентраций носителей на границе раздела.

Образование объёмного заряда

Диффузия приводит к тому, что в приконтактной зоне n-области остаются неподвижные положительно заряженные ионы донорной примеси (например, атомы фосфора, отдавшие электрон в зону проводимости). В p-области, соответственно, остаются неподвижные отрицательно заряженные ионы акцепторной примеси (например, атомы бора, захватившие электрон). Так образуется область объёмного заряда (обеднённый слой), в которой практически нет свободных носителей.

Потенциальный барьер

Разделённые заряды создают электрическое поле, направленное от n-области к p-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей. Разность потенциалов, возникающая на границе, называется контактной разностью потенциалов (или потенциальным барьером). Для кремниевых p-n-переходов при комнатной температуре высота барьера составляет около 0,6–0,7 В, для германиевых — около 0,3–0,4 В.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n-перехода описывает зависимость тока через переход от приложенного внешнего напряжения. Она обладает ярко выраженной нелинейностью.

Прямое смещение

Если к p-области приложить положительное напряжение относительно n-области, внешнее поле направлено противоположно внутреннему полю объёмного заряда. Потенциальный барьер снижается, и основные носители начинают интенсивно инжектироваться в соседнюю область: электроны из n-области переходят в p-область, дырки из p-области — в n-область. Через переход течёт прямой ток, который экспоненциально растёт с увеличением напряжения. Напряжение, при котором ток начинает резко возрастать, называется пороговым напряжением (для кремния — около 0,5–0,6 В).

Обратное смещение

Если к p-области приложить отрицательное напряжение относительно n-области, внешнее поле совпадает по направлению с внутренним полем. Потенциальный барьер увеличивается, и диффузия основных носителей практически прекращается. Через переход протекает лишь очень малый обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей (электронов в p-области и дырок в n-области), которые генерируются тепловыми процессами. Этот ток практически не зависит от напряжения (ток насыщения). При значительном увеличении обратного напряжения может наступить электрический пробой перехода.

Пробой p-n-перехода

Пробой — это резкое увеличение обратного тока при превышении определённого напряжения. Различают несколько механизмов пробоя:

• Лавинный пробой — возникает в широких переходах при высоких напряжениях. Носители, ускоренные сильным полем, выбивают новые электроны из атомов кристаллической решётки, вызывая лавинообразное размножение носителей.
• Туннельный (зенеровский) пробой — возникает в узких переходах (с высокой концентрацией примесей) при относительно низких напряжениях. Электроны «просачиваются» сквозь потенциальный барьер за счёт квантово-механического туннельного эффекта.
• Тепловой пробой — связан с разогревом перехода обратным током. При недостаточном теплоотводе температура растёт, увеличивая генерацию неосновных носителей, что ещё больше повышает ток и температуру. Процесс лавинообразно нарастает и приводит к разрушению кристалла.

Классификация p-n-переходов

По технологии изготовления

• Сплавные переходы — получают вплавлением в полупроводниковую пластину капельки металла, содержащего легирующую примесь. При охлаждении образуется область с другим типом проводимости. Один из первых методов, ныне применяется ограниченно.
• Диффузионные переходы — формируются путём диффузии атомов примеси из газовой или жидкой фазы в полупроводниковую пластину при высокой температуре. Обеспечивают высокую точность и однородность.
• Эпитаксиальные переходы — создаются методом эпитаксиального наращивания слоя полупроводника с одним типом проводимости на подложку с другим типом. Позволяют получать резкие границы и сложные многослойные структуры.
• Ионно-легированные (имплантированные) переходы — формируются путём бомбардировки полупроводника ионами примеси, ускоренными до высоких энергий. Обеспечивают высокую точность дозировки и профиля легирования.

По геометрии

• Плоскостные переходы — имеют плоскую границу раздела. Характерны для большинства дискретных полупроводниковых приборов.
• Точечные переходы — образуются при контакте металлической иглы с полупроводниковой пластиной. Использовались в первых транзисторах и детекторах.
• Планарные переходы — формируются под защитным слоем диэлектрика (обычно диоксида кремния) на поверхности полупроводника. Основной тип в интегральных схемах.

По профилю легирования

• Резкие переходы — концентрация примеси изменяется скачкообразно на границе.
• Плавные переходы — концентрация примеси изменяется постепенно вблизи границы.

Применение p-n-переходов

p-n-переход лежит в основе работы огромного класса электронных компонентов.

Выпрямительные диоды

Используют одностороннюю проводимость p-n-перехода для преобразования переменного тока в пульсирующий постоянный. Применяются в блоках питания, выпрямителях, детекторах.

Стабилитроны (диоды Зенера)

Работают в режиме обратимого электрического пробоя (лавинного или туннельного). Используются для стабилизации напряжения в электрических цепях.

Светодиоды

В прямосмещённом p-n-переходе происходит рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов (электролюминесценция). Материал полупроводника определяет длину волны (цвет) излучения. Применяются для индикации, освещения, в оптронах.

Полупроводниковые лазеры

Используют стимулированное излучение в p-n-переходе при высокой плотности тока. Применяются в оптической связи, считывателях штрих-кодов, лазерных указках.

Фотодиоды

При освещении p-n-перехода происходит генерация дополнительных пар электрон-дырка, что приводит к увеличению обратного тока. Используются для детектирования света.

Солнечные элементы

Фотогальванический эффект в p-n-переходе: поглощение фотонов создаёт избыточные носители, которые разделяются внутренним полем перехода, создавая фото-ЭДС. Используются для преобразования солнечной энергии в электрическую.

Биполярные транзисторы

Содержат два p-n-перехода, расположенных близко друг к другу (структуры n-p-n или p-n-p). Управление током через один переход (база-эмиттер) позволяет управлять значительно большим током через другой переход (коллектор-база). Являются основой аналоговой и цифровой электроники.

Тиристоры

Четырёхслойные полупроводниковые приборы (p-n-p-n) с тремя p-n-переходами. Обладают двумя устойчивыми состояниями (открыто/закрыто) и используются в мощных ключевых схемах, регуляторах мощности.

Историческая справка

Теоретические основы работы p-n-перехода были заложены в 1930-х годах. В 1938 году советский физик Борис Давыдов объяснил выпрямляющее действие контакта металл-полупроводник и полупроводников разного типа. В 1947 году Джон Бардин, Уолтер Браттейн и Уильям Шокли (США) создали первый точечный транзистор, что стало началом эры полупроводниковой электроники. В 1949 году Шокли опубликовал теорию p-n-перехода и биполярного транзистора. В 1950-х годах были разработаны технологические процессы получения диффузионных и эпитаксиальных p-n-переходов, что позволило начать массовое производство полупроводниковых приборов.

Интересные факты

• Толщина обеднённого слоя в p-n-переходе может составлять от нескольких нанометров (в сильно легированных переходах) до нескольких микрометров (в слабо легированных).
• Температура оказывает сильное влияние на характеристики p-n-перехода: с её повышением увеличивается обратный ток и снижается пороговое напряжение прямого смещения.
• Понятие «дырки» как квазичастицы было введено для упрощения описания движения вакантных мест в валентной зоне полупроводника. Дырка ведёт себя как положительно заряженная частица.
• Все современные интегральные схемы (микропроцессоры, чипы памяти) содержат миллиарды p-n-переходов, сформированных на одном кристалле кремния.

Источники

1. Шокли У. Теория p-n-перехода и полупроводниковых триодов. — М.: ИЛ, 1953.
2. Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
3. Милнс А., Фойхт Д. Гетеропереходы и переходы металл-полупроводник. — М.: Мир, 1975.
4. Давыдов Б. И. О выпрямляющем действии полупроводников // Журнал экспериментальной и теоретической физики. — 1938. — Т. 8, № 9.
5. Шалимова К. В. Физика полупроводников. — М.: Энергоатомиздат, 1985.