|
Электронно-дырочный или p-n переход — это контакт между областями полупроводника n- и p-типа. Электронно-дырочный переход создается в одном кристалле полупроводника в основном при помощи трех технологических операций. Это сплавная технология (в настоящее время не применяется), инжектирование примесей и эпитаксия (наращивание) дополнительных слоев атомов на поверхность кристалла. Этот способ позволяет получить наиболее качественные p-n переходы, так как при этом можно достаточно точно регулировать концентрацию примесей в объеме полупроводникового материала.
Рассмотрим электронно-дырочный переход, в котором концентрации доноров Nд и акцепторов Na изменяются скачком на границе раздела, как это показано на рисунке 1а. Такой p-n переход называют резким. Его можно получить наращиванием дополнительных слоев атомов на поверхности полупроводникового кристалла. Инжекция примесей из газообразной среды формирует плавный p-n переход. В нем концентрация примесей растет при приближении к поверхности кристалла и снижается при удалении от неё.
Рисунок 1. Равновесное состояние p-n перехода
Концентрация "дырок" в p-области полупроводника pp0 значительно превышает их концентрацию в n-области pn0. Аналогично для электронов в n-области выполняется условие nn0 > np0. Неравномерное распределение концентрации носителей зарядов в полупроводниковом кристалле в районе p-n перехода, показанное на рисунке 1, б приводит к возникновению диффузии электронов из n-области в p-область и "дырок" из p-области в n-область.
Описанное движение зарядов через p-n переход создает совместный диффузионный ток. С учетом выражений (3) и (4), приведенных в статье "диффузионный ток", плотность полного диффузионного тока, проходящего через электронно-дырочный переход, будет определяться суммой тока электронов и "дырок":
(1)
Электроны и дырки, движущиеся из-за дифузии через p-n переход навстречу друг другу, рекомбинируют и в приконтактной области p-полупроводника образуется нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцепторных примесей, а в n-полупроводнике нескомпенсированный заряд положительных донорных ионов. Рекомбинация на рисунке 1 а показана зачеркнутым изображением электронов и "дырок". Эта ситуация иллюстрируется графиком, приведенным на рисунке 1 в. В результате описанного процесса диффузии основных зарядов электронный полупроводник заряжается положительно, а дырочный — отрицательно.
Теперь определим дрейфовый ток через pn-переход. Собственное электрическое поле является тормозящим для основных носителей заряда и ускоряющим для неосновных. Электроны p-области и дырки n-области полупроводника, совершая тепловое движение, попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области, образуя дрейфовый ток, или ток проводимости. Выведение неосновных носителей заряда через электронно-дырочный переход ускоряющим электрическим полем называется экстракцией носителей заряда.
Воспользуемся выражением (2) из статьи "дрейфовый ток" и учитывая, что Е = −dU/dx, определим плотность полного дрейфового тока через границу раздела p- и n- областей:
(2)
Так как по закону сохранения энергии через изолированный полупроводник ток проходить не должен, между диффузионным и дрейфовым токами устанавливается динамическое равновесие:
jдиф + jдр = 0 (3)
Контактная разность потенциалов p-n перехода
Между областями с различными типами проводимости возникает собственное электрическое поле напряженностью Eсоб, показанное на рисунке 1, а. Оно создаётся двумя областями объемных зарядов с контактной разностью потенциалов Uк. Её изменение в зависимости от положения относительно p-n контакта показано на рисунке 1, г. За пределами области объемного заряда области полупроводника n- и р-типа остаются электрически нейтральными.
Потенциальная энергия электрона и электрический потенциал связаны соотношением W = −qU. Поэтому образование нескомпенсированных объемных зарядов вызывает понижение энергетических уровней n-области и повышение энергетических уровней р-области полупроводника. Смещение энергетических зон прекратится, когда уровни Ферми n- области Wфn и р-области Wфp совпадут. Эта ситуация показана на графике энергетических зон p-n перехода, приведенном на рисунке 2.
Рисунок 2. Энергетические зоны полупроводника в районе p-n перехода
Совпадение уровней Ферми n- и p- областей соответствует установлению динамического равновесия между этими областями полупроводника и возникновению между ними потенциального барьера Uk:
(4)
Подстановка в это выражение результатов логарифмирования формул (1) из статей "Полупроводники с дырочной проводимостью" и "Полупроводники с электронной проводимостью" позволяет получить следующее равенство:
(5)
Из этого выражения видно, что контактная разность потенциалов Uk зависит от отношения концентраций носителей зарядов в р- и n-областях p-n перехода.
Если ввести параметр φт = kT/q, то концентрацию неосновных носителей в зависимости от концентрации основных носителей можно записать в следующем виде:
(6)
(7)
Do'stlaringiz bilan baham: |
