P-n переход: принцип работы и применение¶

P-n переход — это область на границе контакта двух полупроводников с различными типами проводимости: электронной (n-тип, донорной) и дырочной (p-тип, акцепторной). Данная структура является базовым элементом практически всех современных полупроводниковых приборов, включая диоды, транзисторы, тиристоры и интегральные микросхемы. Ключевым свойством p-n перехода является его односторонняя проводимость: он пропускает электрический ток в одном направлении и практически не пропускает в обратном.

¶Физика образования перехода

При создании контакта между полупроводниками p- и n-типа начинается диффузия основных носителей заряда: электроны из n-области переходят в p-область, а дырки — в обратном направлении. В результате в приграничной зоне образуется область, обеднённая свободными носителями заряда, называемая запирающим слоем.

В этой зоне остаются неподвижные ионы примесей — положительные доноры в n-области и отрицательные акцепторы в p-области. Это создаёт внутреннее электрическое поле, направленное из n-области в p-область. Данное поле препятствует дальнейшей диффузии носителей, и система приходит в состояние динамического равновесия. Разность потенциалов, возникающая в области перехода, называется контактной разностью потенциалов (для кремния она составляет примерно 0,6–0,7 В, для германия — около 0,3–0,4 В).

¶Прямое и обратное смещение

Работа p-n перехода определяется полярностью приложенного внешнего напряжения.

¶Прямое смещение

При подключении положительного полюса источника питания к p-области, а отрицательного — к n-области, внешнее электрическое поле направлено навстречу внутреннему. Это приводит к снижению высоты потенциального барьера. Носители заряда получают возможность преодолевать переход: электроны инжектируются в p-область, а дырки — в n-область. Возникает прямой ток, величина которого экспоненциально растёт с увеличением напряжения. После преодоления порога около 0,5–0,7 В для кремниевых приборов переход начинает проводить ток интенсивно.

¶Обратное смещение

При обратной полярности (минус к p-области, плюс к n-области) внешнее поле совпадает по направлению с внутренним, увеличивая высоту потенциального барьера. Основные носители заряда не могут преодолеть переход. Однако через переход протекает малый обратный ток, обусловленный движением неосновных носителей (электронов в p-области и дырок в n-области), которые генерируются за счёт теплового возбуждения. Этот ток называется тепловым током и сильно зависит от температуры. При достижении определённого обратного напряжения наступает пробой перехода, при котором ток резко возрастает.

¶Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода описывается уравнением Шокли: I = I₀(exp(U/φ_T) — 1), где I₀ — обратный ток насыщения, а φ_T — температурный потенциал. ВАХ имеет ярко выраженную нелинейность: в области прямых напряжений ток растёт по экспоненте, а в области обратных напряжений ток остаётся малым и слабо зависит от напряжения вплоть до момента пробоя.

¶Виды пробоя

Различают два основных механизма пробоя p-n перехода:

• Лавинный пробой — возникает при достаточно высоких обратных напряжениях, когда ускоренные полем неосновные носители ионизируют атомы кристаллической решётки, вызывая лавинообразное размножение носителей заряда. Этот вид пробоя обратим при ограничении тока.
• Туннельный (зенеровский) пробой — наблюдается в сильнолегированных переходах при относительно низких напряжениях. Электроны «просачиваются» через узкий потенциальный барьер за счёт квантово-механического туннельного эффекта. Также является обратимым.
• Тепловой пробой — возникает вследствие перегрева перехода при чрезмерном токе, что приводит к необратимому разрушению кристалла.

¶Ёмкость перехода

P-n переход обладает ёмкостными свойствами. Различают барьерную (зарядную) ёмкость, связанную с изменением ширины обеднённого слоя при изменении обратного напряжения, и диффузионную ёмкость, обусловленную накоплением избыточных носителей при прямом смещении. Эти свойства используются в варикапах — диодах, управляемых напряжением.

¶Применение

P-n переходы лежат в основе работы множества электронных компонентов:

• Выпрямительные диоды — используются для преобразования переменного тока в постоянный.
• Стабилитроны — работают в режиме обратимого пробоя для стабилизации напряжения.
• Светодиоды — излучают свет при рекомбинации носителей в прямосмещённом переходе.
• Фотодиоды — генерируют ток под действием света, попадающего в область перехода.
• Биполярные транзисторы — содержат два p-n перехода, что позволяет усиливать электрические сигналы.
• Тиристоры — многослойные структуры с несколькими переходами, используемые в силовой электронике.
• Солнечные батареи — работают на основе фотовольтаического эффекта в p-n переходах.

¶Материалы и технологии

Наиболее распространённым материалом для создания p-n переходов является кремний. Для высокочастотных и оптоэлектронных применений используются арсенид галлия (GaAs), нитрид галлия (GaN) и карбид кремния (SiC). Технологически переходы создаются методами диффузии примесей, ионной имплантации или эпитаксиального выращивания. На базе соединений нескольких переходов строятся сложные полупроводниковые структуры, такие как гетеропереходы, применяемые в высокоэффективных транзисторах и лазерах.

¶Источники

• Зи С. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Мир, 1984.
• Степаненко И. П. Основы микроэлектроники. — М.: Лаборатория базовых знаний, 2001.
• Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы. — СПб.: Лань, 2002.