Р-n переходы

ЛЕКЦИЯ 3. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНАЯ ПРОВОДИМОСТЬ.

1. Принцип работы p – n перехода

2. Область объемного заряда (ООЗ)

3. Простое применение диода и выпрямление электрического тока

3.1 Принцип работы p – n перехода

В громадном большинстве полупроводниковых приборов используется р-п переход (только иногда р-п переход не нужен, например, в фотосопротивлениях, или диодах Ганна). Поэтому сегодня мы рассмотрим принцип его работы.

Итак, р-п переход - это структура, содержащая дырочную и электронную области полупроводника. Причём эти области получены в единой структуре за счёт диффузии доноров или акцепторов. Но мы условно будем считать, что эти области сначала существовали раздельно, а затем были объединены. Итак, есть две области, электронная и дырочная:

Мы может построить зонные диаграммы для этих кусков полупроводника:

Они одинаковы, так как полупроводник один и тот же, но уровни Ферми находятся на разной высоте, так как слева полупроводник п-типа, и уровень Ферми выше середины запрещённой зоны, а справа полупроводник р-типа, и уровень Ферми ниже середины. Если теперь соединить эти куски, то электроны, которых слева много, будут диффундировать направо, а дырки, которых много справа, будут диффундировать налево (указано стрелками). Это приводит к тому, что левая часть структуры заряжается положительно, а правая – отрицательно.

Но при этом энергия электрона слева будет уменьшаться, а справа будет увеличиваться, т.е. произойдёт сдвиг левой части диаграммы вниз, а правой – вверх. Этот процесс должен закончиться, когда совпадут положения уровней Ферми в левой и правой части полупроводника:

Е ---à

(в равновесии уровни Ферми в разных частях сложной системы совпадают). Ну а на самом деле, между левой и правой частью полупроводника появляется электрическое поле, направленное от плюса к минусу, т.е. так, как указано на рис. Это электрическое поле вызывает возникновение дрейфового тока, направленного так, что электроны текут справа налево, а дырки – наоборот. Чем больше электрическое поле, тем больше этот ток. В конце концов он уравновесит диффузионный ток, так как он по направлению ему противоположен. Установится равновесие (одновременно существуют два диффузионных тока – электронов и дырок – и два дрейфовых тока, которые все между собой равны).

Теперь рассмотрим количество носителей заряда (электронов и дырок). Слева и справа, где зонная диаграмма горизонтальна, они велики, так как уровни Ферми близки к соответствующим границам зон. А там, где эти границы искривляются, уровень Ферми удаляется от одной границы и приближается к другой. Из рис. видно, что в области п-типа электронов становится гораздо меньше, чем было в левой части. А в области р-типа дырок значительно меньше, чем было в правой части.

Но левая часть нейтральна, так как в ней есть ещё и заряды ионов – атомов доноров. Эти атомы жёстко закреплены в узлах кристаллической решётки, и не могут двигаться, т.е. не переносят ток. Но их количество строго равно количеству электронов, поэтому в этой области нет зарядов (сама диаграмма говорит об этом: если линии энергетических уровней горизонтальны, то нет электрического поля, значит нет зарядов, или их сумма с учётом знака равна нулю). То же самое можно сказать и о правой части полупроводника: количество дырок и акцепторов в ней одинаково, хоть и велико, но полный заряд равен нулю.

Совсем другое можно сказать о средней области полупроводника, где зоны искривлены. Количество неподвижных зарядов, доноров и акцепторов, неизменно и велико. А электронов и дырок из-за увеличения расстояния между границами зоны и уровнем Ферми во много раз уменьшается. Поэтому в этой области есть заряды, и практически они равны

зарядам неподвижных доноров и акцепторов:

Практически это прямоугольники, так как электронов и дырок в этой области пренебрежимо мало. На рис. прямоугольники разные, так как плотность доноров слева меньше, чем акцепторов справа (обратить внимание на положение уровня Ферми). Но площади прямоугольников должны быть строго равны, так как полные заряды слева и справа равны. Поэтому в данном случае

l_n > l_p.

Дата добавления: 2015-06-04