Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД

Электронно-дырочный переход,или сокращенно р-п-переход, – это тонкий переходный слой в по-лупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности: одна – n -типа, другая – p -типа.

Электронно-дырочный переход, благодаря своим особым свойствам, является основным элементом многих полупроводниковых приборов и интегральных микросхем. Наряду с p-n -переходами в полупро-водниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например, металл – полу-проводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости.

Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну об-ласть донорную примесь, а в другую – акцепторную. Атомы примесей при комнатной температуре ока-зываются полностью ионизированными. При этом атомы акцепторов, присоединив к себе электроны, создают дырки (получается р -область), а атомы доноров отдают электроны, становящиеся свободными (создается n -область) (рис. 3, а).

Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми. Такой p-n -переход называют симметричным: n_n = n_p.

В каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация которых значительно меньше, чем основных. Наличие неосновных носителей определяется генерацией электронно-дырочных пар при разрыве ковалентной связи. Одни и те же носители заряда в одной об-ласти являются основными, а в другой – неосновными, так что дырок в р - области гораздо больше, чем в n -области,и наоборот,электронов в n -области значительно больше,чем в р -области.

Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р -области в n -область, а электроны – из n -области в р -область. Попадая в n -область, дырки рекомбинируют с электронами, и по мере их продвижения вглубь концентрация дырок уменьшается. Аналогично электроны, углубляясь в р -область, постепенно реком-бинируют там с дырками, и концентрация их уменьшается (рис. 3, б).

p		p-n -переход		n
+	+	– –	+ +	–	–
+	+	– –	+ +	–	–
+	–	– –	+ +	+	–
Основные					Неосновные
носители					носители
заряда			U к		заряда
	p		а)		n
					х
			б)
ϕ
					х
					φ0 = U к

в)

Рис. 3 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения:

а – структура p-n -перехода; б – распределение концентрации носителей заряда_{раздела}; _{р - и}

в – потенциальный барьер в p-n -переходе

Диффузия основных носителей заряда через границу раздела р - и n -областей создает ток диффузии в р-n -переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

I диф = Iр диф + In диф.

Направление диффузионного тока совпадает с направлением диффузии дырок.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси: уход электронов – положительный заряд ионов доноров в n -области, а уход дырок – отрицательный заряд ионов акцепторов в р -области (рис. 3, а). Эти неподвижные заряды увеличиваются еще и за счет реком-бинации основных носителей заряда с пришедшими из соседней области носителями заряда противопо-ложного знака.

В результате образования по обе стороны границы между р - и n -областями неподвижных зарядов противоположных знаков в р-n - переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n -области к р -области.Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда черезграницу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Его действие определяется высо-той потенциального барьера (рис. 3, в).В результате появления потенциального барьера диффузион-

ный ток уменьшается. Преодоление потенциального барьера возможно только для основных носителей, обладающих достаточно большой энергией.

Слой, образованный участками по обе стороны границы, где выступили неподвижные заряды про-тивоположных знаков, является переходным слоем и представляет собой собственно р-n -переход. Этот слой, из которого уходят подвижные носители заряда, называют обедненным слоем. Он обладает боль-шим удельным сопротивлением.

Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способст-вует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неос-новные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через р-n -переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля соз-дает в р-n -переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

I др = Iр др + In др.

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока I _т, поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действи-ем тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.

При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому: I _диф = I _др, т. е. ток через р-n -переход равен нулю. Это соответствует оп-ределенной высоте потенциального барьера φ₀.

Установившаяся высота потенциального барьера φ₀ в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов U _к в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными заря-дами противоположных знаков по обе стороны границы: φ₀ = U _к.

В состоянии равновесия р-n -переход характеризуется также шириной d ₀.

Величина φ₀ зависит в первую очередь от материала полупроводника, а также от температуры и концентрации примеси. С повышением температуры высота потенциального барьера несколько умень-шается. При комнатной температуре для германия φ₀ ≈ 0,2...0,3 В, для кремния φ₀ ≈ 0,6...0,8 В.

Дата добавления: 2015-05-06