Podręcznik

Zobaczymy teraz, co się stanie w półprzewodniku, w którym występują dwa obszary: jeden domieszkowany donorami, a drugi akceptorami. Taką strukturę symbolicznie pokazuje rysunek 3-5. Nazywamy ją złączem p-n. Pomiędzy obszarami typu n i typu p występuje obszar przejściowy. W tym obszarze koncentracja elektronów maleje w kierunku od obszaru typu n do obszaru typu p, a dziur – w przeciwnym kierunku. Obszar przejściowy nazywany jest obszarem zubożonym lub inaczej warstwą zaporową. W środkowej części tego obszaru bardzo mała jest zarówno koncentracja elektronów, jak i dziur, co wynika bezpośrednio z równania 3-1: w punkcie, w którym koncentracje elektronów i dziur zrównują się, obie muszą być równe koncentracji samoistnej $n_i$, a to jest bardzo mała liczba. Zatem obszar zubożony zachowuje się w pierwszym przybliżeniu tak, jak gdyby był obszarem dielektryka. 

Obszar zubożony (warstwa zaporowa)

Rysunek 3‑5. Złącze p-n

Sytuacja jednak zmienia się, gdy do złącza p-n doprowadzone zostanie napięcie z zewnątrz. Jeżeli plus napięcia przyłożony będzie do obszaru p, a minus do obszaru n, strumień elektronów popłynie z obszaru n do obszaru p i przezeń do kontaktu, a dziur – w  przeciwnym kierunku i do przeciwnego kontaktu (przypomnijmy, że dziura jest pojęciem umownym, a strumień dziur jest w rzeczywistości także strumieniem elektronów płynących w kierunku przeciwnym, niż dziury). Oba strumienie będą silne, bowiem obszar n jest obfitym źródłem elektronów, a obszar p – obfitym źródłem dziur. Ilustruje to symbolicznie rysunek 3-6. Zatem złącze p-n będzie całkiem dobrze przewodzić prąd. Mówimy, że zostało spolaryzowane w kierunku przewodzenia, a prąd nazywamy prądem przewodzenia złącza.

Rysunek 3‑6. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym

Jeżeli kierunek zewnętrznego napięcia będzie przeciwny – plus do obszaru n, a minus do obszaru p, to także popłyną strumienie elektronów i dziur, ale będą one bardzo, bardzo słabiutkie, bo elektrony popłyną z obszaru p, gdzie jest ich znikomo mało, a dziury z obszaru n, gdzie także jest ich znikomo mało. Prąd popłynie, ale będzie bardzo słabiutki. Nazywamy go prądem wstecznym złącza. Stan taki ilustruje rysunek 3-7. Mówimy, że złącze p-n zostało spolaryzowane w kierunku zaporowym.

Rysunek 3‑7. Złącze p-n spolaryzowane w kierunku zaporowym

Jak widzimy, złącze p-n przepuszcza prąd elektryczny praktycznie tylko w jedną stronę. Element o takiej właściwości nazywamy diodą. W układach scalonych złącza p-n pełnią bardzo ważne role – między innymi wchodzą w skład struktur tranzystorów MOS i bipolarnych.

Zależność natężenia prądu płynącego przez złącze p-n od napięcia polaryzującego jest nieliniowa. Określa tę zależność funkcja wykładnicza:

gdzie $I$ jest prądem, $V$ – napięciem, $I_S$ jest stałą zwaną prądem nasycenia (jej wartość zależy m.in. od koncentracji domieszek w obszarach złącza i jest silnie rosnącą funkcją temperatury), $q$ – ładunkiem elementarnym, $k$ – stałą Boltzmanna, a $T$ – temperaturą bezwzględną (w kelwinach). Często spotykane w mikroelektronice wyrażenie $kT/q$ ma wymiar napięcia, a jego wartość w temperaturze pokojowej wynosi około 26 miliwoltów. Przyjmuje się, że w równaniu 3-2 napięcie polaryzujące w kierunku przewodzenia ma znak dodatni, a w kierunku zaporowym – ujemny. Rysunek 3-8 pokazuje przykładową zależność prądu od napięcia w diodzie krzemowej w temperaturze pokojowej przy polaryzacji w kierunku przewodzenia. Jak widać, dioda zaczyna dobrze przewodzić przy napięciu rzędu 0,6 – 0,7 V.

Rysunek 3‑8. Przykładowa charakterystyka prądowo-napięciowa diody krzemowej w kierunku przewodzenia

Przy polaryzacji w kierunku zaporowym prąd płynący przez diodę dla napięć większych od $4\ {kT}/{q }$ jest praktycznie stały i równy $I_S$. Jeśli jednak napięcie w kierunku zaporowym jest dostatecznie duże, prąd płynący przez diodę zaczyna gwałtownie rosnąć ze wzrostem napięcia (nie pokazuje tego wzór 3-2). Jest to skutek zjawiska zwanego lawinowym powielaniem nośników ładunku – dziur i elektronów. Przy dostatecznie dużym napięciu w kierunku zaporowym w warstwie zubożonej natężenie pola elektrycznego osiąga dużą wartość. Elektrony i dziury zostają silnie przyspieszane w polu elektrycznym i uzyskują energie wystarczające do tego, by przy zderzeniu z atomami półprzewodnika uwalniać z tych atomów elektrony, czyli tworzyć nowe pary elektron-dziura. Te nośniki także są silnie przyspieszane i liczba elektronów i dziur w warstwie zubożonej gwałtownie rośnie, co powoduje silny wzrost natężenia prądu. Zjawisko to nazywamy lawinowym powielaniem nośników, a gwałtowny wzrost prądu – przebiciem lawinowym. Nie jest to zjawisko niszczące diodę, pod warunkiem, że prąd płynący w wyniku powielania lawinowego nie osiąga zbyt dużych wartości. Napięcie, przy którym występuje przebicie lawinowe, zależy od koncentracji domieszek po obu stronach złącza p-n. W złączach występujących w układach scalonych napięcie to wynosi typowo od kilku do kilkudziesięciu V.

Złącze p-n, złożone z obszaru zachowującego się podobnie jak dielektryk umieszczonego pomiędzy dwoma obszarami przewodzącymi, jest zarazem kondensatorem o pewnej pojemności $C_j$ zwanej pojemnością złączową. Jej wartość zależy od wartości przyłożonego do złącza napięcia polaryzującego. Wzór znajdziesz dalej (wyrażenie 3-10).