Электронно-дырочный переход (p-n переход)

Электрический переход в полупроводниках – это граничный слой между двумя областями, физические характеристики которых существенно различаются.

Работа большинства полупроводниковых приборов основана на использовании одного или нескольких переходов между двумя областями полупроводника с различным типом электропроводности.

P-n переход образуется при механическом соединении полупроводников различного типа проводимости.

В полупроводниках с областями p- и n-типов, образующими переход, можно выделить следующие пространственные области:

- металлургический переход (контакт, граница) – воображаемая плоскость, разделяющая p- и n-области;

- область перехода или область пространственного заряда или обедненная область – область, распространяющаяся по обе стороны металлургической границы (имеет толщину от 1 мкм до 0,1 мкм в зависимости от технологии производства);

- нейтральные области (p- и n-области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников n- и p-типов;

- омические контакты – выводы, которыми заканчиваются нейтральные области.

Одномерный чертеж электронно-дырочного перехода.

Рассмотрим модель резкого и ступенчатого p-n перехода, в котором концентрация примесных атомов скачком изменяется от значения Nd в области n до значения Na в области p.

Будем также считать, что переход симметричный, условие которого Nd=Na. Если же Nd≠Na – переход является несимметричным.

При Nd > Nа переход обозначается ;

При Nd < Na переход обозначается .

Модель перехода строится на базе таких понятий, как:

- высота потенциального барьера(контактная разность потенциалов)Uк;

- толщина области перехода – d;

- максимальная напряженность внутреннего электрического поля E;

- плотность электрического заряда Q.

Диаграмма распределения параметров в p-n переходе (симметричном)

Nn = Pp , (Pn = Np); Nn >> Pn ; Pp >> Np представлена на чертеже.

Диаграмма распределения параметров в p-n переходе.

1) распределение концентрации доноров и акцепторов;

2) распределение концентрации электронов и дырок;

3) распределение контактной разности потенциалов;

4) распределение напряженности поля.

При возникновении контакта в разнотипных полупроводниках начинаются интенсивные диффузии носителей заряда. Т.к. концентрация электронов в n-области больше, чем в p-области (Nn>>Np), то часть электронов диффундирует из n-области в p-область. При этом в p-области, у металлургической границы, окажутся избыточные электроны, которые будут занимать вакантные ковалентные связи, что уменьшит в пограничном слое концентрацию дырок и создаст слой отрицательных неподвижных зарядов (ионов) акцепторов.

Так как часть электронов из области n перешла в область p, то в пограничном слое области n уменьшится концентрация электронов, и проявятся не скомпенсированные положительные ионы атомов доноров.

Таким образом, вокруг металлургической границы образуется двойной слой противоположных по знаку неподвижных зарядов (ионов доноров и акцепторов). Именно этот слой и называют p-n переходом или запирающим слоем; он определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер), для Ge – (0,2÷0,3) В, для Si – (0,7÷0,8) В.

Такие переходы электронов будут продолжаться до тех пор, пока электрическое поле потенциального барьера не вырастет настолько, что энергии электронов уже окажется недостаточно для преодоления этого поля.

Потенциальный барьер создает тормозящее поле для основных носителей зарядов и препятствует перемещению электронов в p-область, дырок – в n-область.

Для неосновных носителей зарядов (дырок в n-области и электронов в p-области) поле потенциального барьера является ускоряющим. В результате чего осуществляется переброс неосновных носителей заряда через p-n переход (ток дрейфа). Неосновные носители заряда, переходя через область перехода, нейтрализуют часть ионов обоих знаков, что приводит к понижению потенциального барьера и увеличению диффузионного тока основных носителей. Т.о. в p-n переходе устанавливается динамическое равновесие.

Направление диффузионных токов основных носителей противоположно направлению дрейфовых токов неосновных носителей через p-n переход.

Т.к. в изолированном полупроводнике результирующая плотность токов равна нулю, то условие динамического равновесия может быть определено:

Значение контактной разности потенциалов определяется положением уровня Ферми в полупроводниках n- и p-типа:

Т.к. ; , имеем:

Толщина p-n перехода для равновесного состояния может быть определена:

,

где – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,

– диэлектрическая постоянная воздуха,

– абсолютная диэлектрическая проницаемость полупроводника:

Напряженность электрического поля E в p-n переходе определяется производной от контактной разности потенциалов, взятой по геометрической координате х:

.

Нарушение равновесного состояния p-n перехода может быть нарушено при подключении к омическим контактам внешнего напряжения. В зависимости от полярности и величины внешнего напряжения характер тока через p-n переход и его величина оказываются различными.