Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

В предыдущих главах мы рассмотрели полупроводники с разными типами проводимости (кто не смотрел, читай сюда). А если эти два полупроводника соединить вместе?

Область на границе двух полупроводников с различными типами проводимости называется электронно-дырочным или p-n-переходом (или n-p-). Электронно-дырочный переход обладает нессиметричной проводимостью, т. е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов основана на свойствах одного или нескольких p-n-переходов. Итак, соединим два полупроводника:

Рис. 1 Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Допустим внешнее напряжение на переходе отсутствует. Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное тепловое движение, т. е. имеют собственные скорости, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой. Как и при любой другой диффузии носители перемещаются оттуда, где их концентрация больше, туда, где их концентрация меньше. Таким образом, из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении - дырки. Соответственно, на рисунке 1 светлые кружки со стрелками дырки, темные - электроны. Кружки побольше обозначают атомы акцепторной и донорной примеси, соответственно заряженные отрицательно и положительно.

В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различным типом электропроводности создаются объемные заряды обоих знаков. В области n создается положительный объемный заряд. Он образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени - пришедшими в эту область дырками. Аналогично в области p.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов U_k= φ_n - φ_p и электрическое поле (вектор напряженности E_k). На все том же рисунке чуть ниже перехода изображена потенциальная диаграмма. На этой диаграмме, показывающей распределение потенциала вдоль оси x, перпендикулярной плоскости раздела двух полупроводников, за нулевой потенциал принят потенциал граничного слоя.

Следует отметить, что объемные заряды возникают вблизи границы n- и p-областей, а положительный потенциал φ_n или отрицательный потенциал φ_p создается одинаковым по всей области n или p. Если бы в различных частях области потенциал был различным, т. е. была бы разность потенциалов, то возник бы ток, в результате которого все равно произошло бы выравнивание потенциала в данной области. Нужно помнить, что заряд и потенциал имеют разный физический смысл. Там, где есть электрический потенциал не обязательно должен быть заряд

Как видно, в p-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. На рис. 1 (нижняя часть рисунка типа графика) изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области n в область p).

Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов u_k, т. е. высота потенциального барьера. При этом толщина p-n-перехода d уменьшается, так как соответствующие заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в p-область и аналогично электроны из p-области обратно в n-область. При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Ежесекундно через границу в противоположных направлениях перемещаются электроны и дырки, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

Полный ток через переход при динамическом равновесии равен нулю, так как диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга. Если диффузионный ток возрастет, то через переход будет диффундировать больше носителей. Это вызовет увеличение объемных зарядов и потенциала по обе стороны границы. Значение u_k возрастет, т. е. усилится электрическое поле в переходе и повысится потенциальный барьер. Но усиление поля вызовет соответствующее увеличение тока дрейфа, т. е. обратного перемещения носителей. Пока диффузионный ток больше тока дрейфа высота барьера растет, но в конце концов за счет увеличения тока дрейфа наступит равенство токов и дальнейшее повышения барьера прекратится.

В p-n-переходе концентрация электронов плавно меняется (относительно границы полупроводников). Меняется также и концентрация дырок. В результате этого в средней части перехода образуется слой с малой концентрацией носителей - так называемый обедненный носителями слой. Соответственно и удельная проводимость будет во много раз меньше, чем в остальных частях n и p. Помимо этого можно рассматривать слой, обедненный подвижными носителями, как результат действия электрического поля контактной разности потенциалов. Это поле "выталкивает" из пограничных слоев подвижные носители: электроны перемещаются в область n, а дырки в область p. Это ответ на вопрос, почему электроны, обладающие отрицательным зарядом, не рекомбинируют с дырками, обладающих положительным зарядом. Поле просто напросто их "раздвигает".

Таким образом, в p-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов n- и p-полупроводников.

Дата добавления: 2014-12-23