p-n переход: принцип работы, носители зарядов

p-n переход — это область контакта двух полупроводников с различными типами проводимости: дырочной (p-тип) и электронной (n-тип). Именно на границе этих областей возникает запирающий слой, определяющий уникальные свойства перехода — одностороннюю проводимость тока. В этой статье мы рассмотрим, как формируется переход, что такое основные и неосновные носители зарядов, и как ведёт себя структура при подаче внешнего напряжения.

Полупроводники p-типа и n-типа

Чистый полупроводник (например, кремний или германий) обладает собственной проводимостью за счёт термогенерации пар «электрон — дырка». Для создания p-n перехода в кристаллическую решётку вводят примеси — этот процесс называется легированием.

Полупроводник n-типа получают, добавляя донорную примесь — атомы пятой группы таблицы Менделеева (фосфор, мышьяк). Каждый атом донора отдаёт один свободный электрон в зону проводимости. Электроны здесь — основные носители заряда, а дырки — неосновные.

Полупроводник p-типа образуется при введении акцепторной примеси — атомов третьей группы (бор, индий, галлий). Акцептор захватывает электрон из валентной зоны, создавая дырку. Дырки в p-области — основные носители, электроны — неосновные.

Основные и неосновные носители зарядов

Разделение носителей на основные и неосновные — фундаментальное понятие физики полупроводников. Концентрация основных носителей определяется уровнем легирования и на несколько порядков превышает концентрацию неосновных при комнатной температуре.

Соотношение концентраций описывается законом действующих масс:

n · p = n_i²,

где n — концентрация электронов (м⁻³), p — концентрация дырок (м⁻³), n_i — собственная концентрация носителей в нелегированном полупроводнике. Для кремния при 300 К величина n_i ≈ 1,5 · 10¹⁰ см⁻³.

• В n-полупроводнике: n ≈ N_D (концентрация доноров), p = n_i² / N_D — неосновных носителей значительно меньше.
• В p-полупроводнике: p ≈ N_A (концентрация акцепторов), n = n_i² / N_A.
• При повышении температуры n_i растёт, и доля неосновных носителей увеличивается, что влияет на обратный ток перехода.

Формирование p-n перехода и запирающего слоя

Когда p— и n-области приводятся в контакт, начинается диффузия основных носителей через границу: электроны из n-области перемещаются в p-область, дырки — в обратном направлении. В результате рекомбинации вблизи контакта образуется зона, обеднённая подвижными носителями.

Эту зону называют областью пространственного заряда (ОПЗ) или запирающим слоем. В ней остаются неподвижные ионизированные атомы примесей: положительные доноры на стороне n и отрицательные акцепторы на стороне p. Возникает внутреннее электрическое поле E, направленное от n к p.

Это поле создаёт контактную разность потенциалов (потенциальный барьер) φ₀. Для кремниевого перехода φ₀ ≈ 0,6–0,7 В, для германиевого — около 0,3 В. Барьер препятствует дальнейшей диффузии основных носителей, и устанавливается динамическое равновесие.

Ширина ОПЗ

Ширина обеднённой области зависит от концентрации примесей и приложенного напряжения. В приближении резкого перехода она определяется выражением:

W = √(2εε₀(φ₀ − U) · (N_A + N_D) / (q · N_A · N_D)),

где ε — относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника, ε₀ — электрическая постоянная (8,85 · 10⁻¹² Ф/м), U — внешнее напряжение (В), q — элементарный заряд (1,6 · 10⁻¹⁹ Кл).

Прямое смещение p-n перехода

При прямом смещении положительный полюс источника подключается к p-области, отрицательный — к n-области. Внешнее поле направлено навстречу внутреннему полю ОПЗ.

Потенциальный барьер снижается до величины (φ₀ − U). Основные носители преодолевают барьер, и через переход течёт прямой ток, быстро растущий с увеличением напряжения. Ширина запирающего слоя уменьшается.

Зависимость тока от напряжения описывается уравнением Шокли:

I = I₀ · (e^qU/(kT) − 1),

где I₀ — обратный ток насыщения (А), k — постоянная Больцмана (1,38 · 10⁻²³ Дж/К), T — абсолютная температура (К). При комнатной температуре тепловой потенциал kT/q ≈ 26 мВ.

Обратное смещение p-n перехода

При обратном смещении полярность меняется: «+» к n, «−» к p. Внешнее поле совпадает по направлению с внутренним, барьер увеличивается до (φ₀ + |U|), а ОПЗ расширяется.

Основные носители оттягиваются от границы, и диффузионный ток практически прекращается. Через переход протекает лишь малый обратный ток, обусловленный неосновными носителями. Его величина I₀ слабо зависит от приложенного напряжения, но сильно растёт с температурой.

При достижении критического обратного напряжения наступает пробой перехода. Различают три механизма:

1. Лавинный пробой — ускоренные полем носители ионизируют атомы решётки, порождая лавину новых пар.
2. Туннельный (зенеровский) пробой — при высокой концентрации примесей и узкой ОПЗ электроны туннелируют сквозь барьер.
3. Тепловой пробой — необратимое разрушение структуры из-за перегрева, вызванного ростом обратного тока.

Вольт-амперная характеристика

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) p-n перехода — график зависимости тока I от напряжения U. Она имеет выраженную нелинейность и асимметрию, что и обеспечивает выпрямляющие свойства.

• В прямой ветви ток экспоненциально растёт после преодоления порогового напряжения (≈ 0,6 В для Si).
• В обратной ветви ток остаётся крайне малым вплоть до напряжения пробоя.
• Реальная ВАХ отличается от идеальной формулы Шокли из-за рекомбинации в ОПЗ и последовательного сопротивления базы.

Практическое значение p-n перехода

На основе p-n перехода построены практически все полупроводниковые приборы. Диод — простейший прибор с одним переходом — используется для выпрямления переменного тока. Биполярный транзистор содержит два перехода и позволяет усиливать электрические сигналы.

Фотодиоды и солнечные элементы преобразуют световую энергию в электрическую за счёт генерации пар «электрон — дырка» в области перехода. Светодиоды (LED), напротив, излучают свет при рекомбинации носителей в прямосмещённом переходе. Понимание физики p-n перехода — основа для изучения всей полупроводниковой электроники.

Ключевой вывод: p-n переход работает благодаря разделению подвижных носителей заряда у границы двух областей. Внутреннее поле запирающего слоя контролирует ток — пропускает его в прямом направлении и блокирует в обратном.