P-N переход — это¶

P-N переход — это граница между двумя областями полупроводника с разным типом примесной проводимости: p-типа (с избыточными дырками) и n-типа (с избыточными электронами). Образуется в результате диффузии носителей заряда через границу областей и сопровождается возникновением контактной разности потенциалов и запирающего слоя. P-N переход является основным структурным элементом полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, тиристоров, светодиодов, солнечных элементов и фотодиодов.

¶Формирование перехода

При контакте p- и n-области электроны из n-зоны диффундируют в p-зону, а дырки — в обратную сторону. Перемещение зарядов продолжается до тех пор, пока не установится равновесие, при котором диффузионный ток уравновешивается дрейфовым током под действием возникшего электрического поля. В результате вблизи границы образуется область, практически лишённая свободных носителей заряда — так называемый запирающий слой (обеднённый слой, или дырочно-электронная диффузная область). Ширина запирающего слоя зависит от концентрации примесей и составляет обычно от долей микрометра до нескольких микрометров.

Внутри запирающего слоя возникает контактная разность потенциалов (барьерная потенциальная энергия). Для кремния при комнатной температуре она составляет около 0,6–0,7 В, для германия — около 0,2–0,3 В. Этот потенциальный барьер препятствует дальнейшей диффузии носителей заряда через границу.

¶Вольт-амперная характеристика

При приложении внешнего напряжения к p-n переходу различают два режима:

• Прямое включение (p-область к положительному полюсу, n-область — к отрицательному): внешнее поле ослабляет барьер, запирающий слой сужается, диффузионный ток резко возрастает. Ток растёт экспоненциально с ростом напряжения и ограничен только сопротивлением полупроводника и внешней цепи.
• Обратное включение (n-область к положительному полюсу): внешнее поле усиливает барьер, запирающий слой расширяется, через переход проходит лишь малый обратный ток, обусловленный неосновными носителями и генерацией пар в запирающем слое.

Вольт-амперная характеристика p-n перехода асимметрична: ток в прямом направлении на порядки больше обратного. Именно эта асимметрия обеспечивает выпрямление переменного тока в полупроводниковых диодах.

¶Виды p-n переходов

P-N переходы классифицируют по нескольким признакам:

Градиентный переход характеризуется плавным изменением концентрации примесей, ступенчатый — резким скачком. Странный p-n переход возникает между p- и n-областями с разными примесями, обратный — между областями с одинаковым типом примеси, но разной концентрацией (n-n+ или p-p+ переход). Туннельный переход образуется при очень высоких концентрациях примесей (более 10¹⁹ см⁻³), когда ширина запирающего слоя становится настолько малой, что электроны проходят через барьер за счёт квантового туннелирования.

¶Фото- и термоэффекты

P-N переход обладает свойствами, используемыми в преобразователях энергии. При освещении перехода фотон с энергией, превышающей ширину запрещённой зоны, генерирует электронно-дырочные пары. Под действием поля запирающего слоя носители разносятся, создавая фототок — так работают фотодиоды и солнечные элементы. В солнечных элементах КПД современных кремниевых структур достигает 20–26 %.

Обратный эффект — термоэлектрический — используется в термоэлементах Пельтье, где при прохождении тока через переход происходит поглощение или выделение тепла.

¶Применение

P-N переход — базовый элемент большинства полупроводниковых устройств:

• Диоды — одиночный переход, обеспечивающий выпрямление тока.
• Транзисторы — структуры с двумя переходами (p-n-p или n-p-n), управляющие током.
• Тиристоры — четырёхслойные структуры p-n-p-n с двумя переходами.
• Светодиоды — переходы с широкой запрещённой зоной, излучающие свет при рекомбинации носителей.
• Варикапы — переходы, используемые как конденсаторы с переменной ёмкостью, управляемой обратным напряжением.

¶Историческая справка

Явление выпрямления на контакте металл — полупроводник было открыто в 1874 году Фердинандом Брауном. Теоретическое описание p-n перехода было создано в 1939 году Вальтером Шоттки и независимо в 1942 году советским физиком Абрамом Иоффе. Экспериментальная реализация p-n перехода в кремнии была осуществлена в 1947 году в лабораториях Bell Laboratories, что привело к созданию первого транзистора.

Источники:

• Сивухин Д. В. Общий курс физики. Том 3. Электричество.
• Тиванов К. В., Фрунзе Р. М. Полупроводниковые приборы.
• Шоттки В. Физические и технические основы полупроводниковой техники.
• Иоффе А. Ф. Физика полупроводников.