Главная | Обратная связь

Образование электронно-дырочного перехода в кристалле полупроводника. Потенциальный барьер при отсутствии внешнего электрического поля.

Электронно-дырочный переход (ЭДП) или сокращенно р–n-переход – это тонкий слой в ПП на границе между двумя областями с различными типами проводимости: – одна n-типа, – другая р-типа.

Благодаря своим особым свойствам, проявляющимся при воздействии на него внешнего электрического поля, р–n-переход является основой ПП приборов.

Наряду с р–n-переходами практическое применение находят другие виды переходов, например переход металл-полупроводник, переход между ПП одного типа, различающимися концентрацией примесей: электронно-электронный переход (n–n⁺-переход), дырочно-дырочный переход (р–р⁺-переход). Знак “+” относится к области с большей концентрацией основных носителей зарядов (примесей).

На практике ЭДП получают в едином кристалле ПП, вводя в одну его область донорную примесь, в другую – акцепторную, используя особую технологию выращивания кристаллов и введения примесей.

При рассмотрении свойств р–n-перехода будем считать, что в граничащих друг с другом областях р- и n-типов существует одинаковая концентрация примесей (имеет место симметричный переход, то есть р_р = n_n, где р_р – концентрация дырок в р-области, n_n – концентрация электронов в n-области). В каждой области имеются также неосновные носители электрических зарядов с концентрацией n_p, p_n (n_p – концентрация электронов в р-области, p_n – концентрация дырок в n-области). Очевидно, что в р-области р_р >> n_p, в n-области n_n >> p_n (рис. 4.1).

В рабочем диапазоне температур атомы примесей полностью ионизированы. Концентрации основных носителей заряда вдали от границы раздела р- и n-области можно считать равными концентрации соответствующей примеси. Электроны из n-области (где их много) диффундируют в р-область (где их мало), при этом в n-области остаются нескомпенсированные положительные ионы доноров и возникает положительный объемный заряд. Электроны, переходящие в р-область, рекомбинируют с дырками, что приводит к образованию нескомпенсированного отрицательного заряда ионов акцепторов вблизи границы раздела. В результате описанного процесса вблизи границы раздела образуется область пространственного заряда или обедненная область, в которой концентрация электронов и дырок понижена. Эта область имеет высокое электрическое сопротивление, ее называют также запирающим слоем.

Распределение объемного заряда показано на рис. 4.1, в.

В области пространственного заряда образуется внутреннее электрическое поле, с увеличением которого увеличивается сила, препятствующая диффузионному перемещению электронов из n- в р-область. В результате конкурирующих процессов диффузии и дрейфа носителей заряда между р- и n-областями перехода устанавливается некоторая равновесная разность потенциалов (рис. 4.1, а), которая носит название контактной разности потенциалов и связана с распределением напряженности электрического поля соотношением

.

Барьер могут преодолеть заряженные частицы, энергия которых будет превышать (см. рис. 4.1).

Рис. 4.1. Р–п-переход при отсутствии внешнего напряжения.

а – образование р–п-перехода; б – распределение концентрации носителей зарядов

по глубине кристалла; в – образование неподвижных объемных зарядов доноров

и акцепторов; г – распределение напряженности электрического поля;

– контактная разность потенциалов; – ширина р–п-перехода

Слой , образованный участками по обе стороны от границы раздела, где остались только неподвижные заряды ионизированных примесей, и есть р–n-переход. Слой обладает очень большим электрическим сопротивлением, так как из него ушли подвижные заряды.

Следует отметить, что потенциальный барьер препятствует движению основных носителей, но он не препятствует движению неосновных носителей зарядов.

Возникающий под действием поля барьера дрейфовый ток неосновных носителей компенсирует диффузионный ток основных носителей, и в ПП создается равновесное состояние, то есть суммарный ток через р–n-переход равен нулю.

Величина потенциального барьера численно равна контактной разности потенциалов . При комнатной температуре В – для германия, В – для кремния. С повышением температуры уменьшается.

В симметричном переходе (с равными концентрациями неосновных носителей) по обе стороны от границы толщина запирающего слоя одинакова, в несимметричном – различна. Несимметричные р–n-переходы применяются чаще.