Электронно-дырочный переход: образование, физические процессы, тепловой и электрический пробои
p-n-Переход (n — negative — отрицательный, электронный, p — positive — положительный, дырочный), или электронно-дырочный переход — область пространства на стыке двух полупроводников p- и n-типа, в которой происходит переход от одного типа проводимости к другому. p-n-Переход является основой для полупроводниковых диодов, триодов и других электронных элементов с нелинейной вольт-амперной характеристикой.
Ввиду неравномерной концентрации на границе раздела полупроводников р- и n-типа возникает диффузионный ток, за счет него электроны из n-области переходят в p- область, а на их месте остаются некомпенсированные заряды положительных ионов донорной примеси. Электроны, приходящие в р-область, рекомбинируют с дырами, и возникают некомпенсированные заряды отрицательных ионов акцепторной примеси. Ширина р n перехода составляет десятые доли микрона. На границе раздела возникает внутреннее электрическое поле р-n перехода, которое будет тормозящим для основных носителей заряда и будет их отбрасывать от границы раздела. Для неосновных носителей заряда поле будет ускоряющим, и перенесет их в область, где они станут основными. Максимум напряженности электрического поля будет наблюдаться на границе раздела. Распределение потенциала по ширине полупроводника называется потенциальной диаграммой. Разность потенциалов на р-n переходе называется контактной разностью потенциалов, или потенциальным барьером. Для того чтобы основной носитель заряда смог преодолеть р-n переход, его энергия должна быть достаточной для преодоления потенциального барьера.
Физические процессы: Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным, или р-n-переходом.
Электронно-дырочный переход обладает свойством несимметричной проводимости, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов, применяемых в радиоэлектронике, основана на использовании свойств одного или нескольких р-n-переходов. Рассмотрим физические процессы в таком переходе.
Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеются собственные скорости, то происходит их диффузия (проникновение) из одного полупроводника в другой. Носители перемещаются оттуда, где их концентрация велика, туда, где концентрация мала. Таким образом, из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки.
В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области n возникает положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками. Подобно этому в области р возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими сюда электронами.
Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и электрическое поле.
В р-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей.
Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее количество их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина р-n-перехода уменьшается.
Одновременно с диффузным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в n-область. При определенной температуре р-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное количество электронов и дырок, а под действием поля такое же их количество дрейфует в обратном направлении.
Перемещение носителей за счет диффузии является диффузионным током, а движение носителей под действием поля представляет собой ток проводимости. При динамическом равновесии перехода эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения. Каждый из токов имеет электронную и дырочную составляющие. Величины этих составляющих различны, так как они зависят от концентрации и подвижности носителей. Высота потенциального барьера всегда автоматически устанавливается именно такой, при которой наступает равновесие, т. е. диффузионный ток и ток проводимости взаимно компенсируют друг друга.
Тепловой пробой.
Тепловой пробой диода возникает вследствие перегрева перехода проходящим через него током при недостаточном теплоотводе, не обеспечивающем устойчивость теплового режима перехода.
В режиме постоянного тока мощность, подводимая к переходу, определяется обратным напряжением и обратным током:Pподв=UоббIобр.
Эта мощность идет на разогрев перехода, в результате чего температура перехода возрастает. При этом увеличиваются концентрации носителей заряда в p-n-структуре и обратный ток перехода, что в свою очередь приводит к увеличению подводимой мощности, новому повышению температуры перехода и т. д.
Выделяющееся тепло в переходе рассеивается преимущественно за счет теплопроводности, поэтому отводимая от перехода мощность пропорциональна разности температур перехода и окружающей среды:
Pотв=
, где RT – общее тепловое сопротивление диода.
Возможны обратимые и необратимые пробои. Обратимый пробой – это пробой, после которого p-n-переход сохраняет работоспособность. Необратимый пробой ведет к разрушению структуры полупроводника.
Существуют четыре типа пробоя: лавинный, туннельный, тепловой и поверхностный. Лавинный и туннельный пробои объединятся под названием – электрический пробой, который является обратимым. К необратимым относят тепловой и поверхностный.
Электрический пробой.
Обычно длина свободного пробег электрона в полупроводнике значительно меньше толщины электронно-дырочного перехода. Если за время свободного пробега электроны успевают набрать достаточную энергию, то возникает ударная ионизация атомов электронами. В результате ударной ионизации наступает лавинное размножение носителей заряда.
Величина напряжения пробоя зависит от рода материала. Когда приложенное напряжение приближается к напряжению пробоя, коэффициент размножения носителей резко возрастает, растет число носителей заряда в переходе, сильно увеличивается ток через переход, наступает лавинный пробой.
При значительных напряженностях электрического поля (порядка 200 кВ/см), возможен туннельный пробой, обусловленный прямым переходом электронов из валентной зоны в зону проводимости смежной области, происходящим без изменения энергии электрона.
Практически при электрическом пробое могут иметь место в той или иной степени одновременно оба вида пробоя – туннельный и лавинный.
Величина напряжения пробоя существенно зависит от состояния поверхности перехода, где могут образовываться заряды того или иного знака, которые уменьшают или увеличивают результирующую напряженность поля у поверхности по сравнению ее значением в объеме. В неблагоприятном напряжении пробоя по поверхности может быть в несколько раз ниже, чем по объему. Это еще раз подчеркивает важность стабилизации свойств поверхности полупроводника, защиты ее от воздействий окружающей среды.