Образование p-n перехода

Рассмотрим образование несимметричного p-n перехода при идеальном контакте двух полупроводников с различным типом проводимости. Через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полупроводниках) возникает диффузия из-за градиента концентрации носителей заряда. В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника.

Пусть концентрация акцепторов Nа в области полупроводника
p-типа больше концентрации доноров N_Д в области полупроводника n-типа: Nа>>N_Д. При этом концентрация основных носителей заряда - дырок в полупроводнике - p-типа будет больше концентрации основных носителей заряда - электронов в полупроводнике n-типа: p_p>n_n. Соответственно концентрация неосновных носителей заряда - электронов в полупроводнике p-типа - меньше концентрации неосновных носителей заряда - дырок в полупроводнике n-типа: n_p<p_n. Образование несимметричного p-n перехода посредством металлургического контакта двух полупроводников с различным типом проводимости иллюстрируется рис.1. На рис.1 указано, что внешнее напряжение на переход не подается, а p- и n-области соединены между собой, подтверждая рассмотрение p-n перехода в равновесном состоянии.

Рис.1

Допустим, Nа=10¹⁸см^-3, а N_Д=10¹⁵см^-3. Поясним процесс образования p-n перехода с помощью диаграмм, представленных на рис.2. На рис.2 обозначено:

+ - дырка - основной носитель заряда полупроводника p-типа;

- - электрон - основной носитель заряда полупроводника n-типа;

-положительный ион донора; отрицательный ион акцептора;

l_p - ширина p-n перехода в области полупроводника p-типа; l_n - ширина p-n перехода в области полупроводника n-типа; l_o - ширина p-n перехода в равновесном состоянии.

Распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в полупроводниках определяются из закона действующих масс. Так, для полупроводника p-типа закон действующих масс записывается в виде n_i²=p_p×n_p=Nа×n_p.

Допустим, что для изготовления p-n перехода используется полупроводниковый материал германий, у которого собственная концентрация (концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике i-типа) носителей заряда составляет величину n_iGE=2,5×10¹³см^-3 . При условии p_p=Nа=10¹⁸см^-3 из закона действующих масс находим, что

n_p= n_i² / Nа=6,25×10²⁶ / 10¹⁸= 6,25×10⁸см^-3.

В полупроводнике n-типа закон действующих масс определяется соотношением n_i²=n_n×p_n=N_Д×p_n. При условии n_n=N_Д=10¹⁵см^-3 из закона действующих масс получаем, что p_n=6,25×10¹¹см^-3 .