Пробой p-n перехода

Введение

Современный этап жизни человечества характеризуется высокими темпами научно-технического прогресса. С каждым днем разрабатывается все большее число новых приборов и технологий, открываются различные эффекты.
Полупроводники как особый класс веществ, были известны еще с конца XIX века, только развитие теории твердого тела позволила понять их особенность задолго до этого были обнаруженыэффект выпрямления тока на контакте металл-полупроводник и фотопроводимость. Одновременно началось интенсивное изучение свойств полупроводников, чему способствовало совершенствование методов очистки кристаллов и их легированию (введение в полупроводник определенных примесей).
Наибольший интерес стали вызывать процессы, происходящие в переходном слое, образованном в полупроводнике на границе двух зон с проводимостями различного типа, p и n типа. Данная область стала называть электронно-дырочным переходом.
В данной работе будут рассмотрены вопросы, которые касаются изучения понятия электронно-дырочного перехода, а тажке его пробоя.

1 Понятие p-n перехода
Контакт двух полупроводников с различными типами проводимости называется р–n переходом. Он обладает очень важным свойством: его сопротивление зависит от направления тока. Такой контакт нельзя получить, прижимая друг к другу два полупроводника, поэтому р–n переход создается в одной пластине полупроводника путем образования в ней областей с различными типами проводимости.
Итак, в монокристаллической полупроводниковой пластине между двумя слоями с различного рода проводимостями образуется р–n переход. В области p–n перехода наблюдается значительный перепад концентраций носителей зарядов. Концентрация электронов в n-области значительно больше их концентрации в p-области. Вследствие этого происходит диффузия электронов из n-области в p-область. В n-области остаются неподвижные положительно заряженные ионы доноров. Одновременно происходит диффузия дырок из p-области в n-область. За счет этого приграничная р-область приобретает отрицательный заряд, обусловленный отрицательно заряженными ионами акцепторов. Эти прилегающие к переходу области образуют слой объемного заряда, обедненный основными носителями (см. рисунок 1). Области объемного заряда с каждой стороны перехода имеют заряд, противоположный заряду основных носителей. В слое объемного заряда возникает контактное электрическое поле Eк, препятствующее дальнейшему переходу электронов и дырок из одной области в другую [1].
Контактное поле поддерживает состояние равновесия на определенном уровне

. Под действием тепла небольшая часть электронов и дырок преодолевает контактное поле, создавая ток диффузии. Одновременно с этим под действием контактного поля неосновные носители заряда р- и n-областей (электроны и дырки) создают небольшой ток проводимости. В состоянии равновесия эти токи взаимно компенсируются.


Рисунок 1 – Слой объемного заряда [2]

Рассмотрим теперь случай, когда к р–n переходу приложено внешнее напряжение. Сначала предположим, что напряжение имеет такую полярность, что р-область становится положительной по отношению к п-области (см. рисунок 2, а). Такое напряжение называют прямым. Прямое напряжение уменьшает контактное поле. В результате возникает ток дырок из р-области и ток электронов из п-области. Результирующий перенос электронов и дырок в противоположных направлениях образует полный ток через переход. Требуется небольшое прямое напряжение (меньше 1 В), чтобы получить большие токи.
Предположим теперь, что к р–n переходу приложено напряжение противоположной полярности (см. рисунок 2, б). Такое напряжение называют обратным. Обратное напряжение приводит к появлению внешнего поля, совпадающего по направлению с контактным полем Eк. В результате ширина обедненного слоя увеличится, и тока за счет основных носителей практически не будет. В цепи возможен лишь незначительный ток за счет неосновных носителей (обратный ток). Обратный ток р–n перехода значительно, на несколько порядков, меньше прямого.


а б
а – прямое напряжение; б – обратное напряжение
Рисунок 2 – Подключение напряжения к p-n переходу [2]

Таким образом, р–n переход обладает ярко выраженной односторонней проводимостью. Это отражает его вольт-амперная характеристика (см. рисунок 3).


Рисунок 3 – ВАХ p-n перехода [2]

Заметим, что участки ВАХ в первом и третьем квадрантах имеют разный масштаб. Ток I0 называют тепловым, или обратным, током насыщения. Величина этого тока зависит от материала, площади p–n перехода и от температуры. Обратный ток кремниевого перехода на 1–2 порядка меньше, чем германиевого. При комнатной температуре (20 °C) Vt = 25.2 мВ. Для упрощения расчетов полагают, что при комнатной температуре Vt = 25 мВ.
Прямой ток р–n перехода увеличивается в десять раз при изменении напряжения на величину, приблизительно равную 2,3Vt = 60 мВ. На практике считают, что прямой ток р–n перехода увеличивается в 10 раз при изменении напряжения на 0,1 В. При отрицательных значениях напряжения, превышающих 0,1 В, ток диода I = −I0