Равновесное состояние р-п-перехода

Контакт электронного и дырочного полупроводников (p-n переход)

Граница соприкосновения двух полу­проводников, один из которых имеет элек­тронную, а другой — дырочную проводи­мость, называется электронно-дырочным переходом (или р-n-переходом). Эти пере­ходы имеют большое практическое зна­чение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов. р-n-Переход нельзя осуществить просто механи­ческим соединением двух полупроводни­ков. Обычно области различной проводи­мости создают либо при выращивании кристаллов, либо при соответствующей обработке кристаллов. Например, на кри­сталл германия n-типа накладывается ин­диевая “таблетка” (рис.8, а). Эта си­стема нагревается примерно при 500 °С в вакууме или в атмосфере инертного газа; атомы индия диффундируют на не­которую глубину в германий. Затем рас­плав медленно охлаждают. Так как гер­маний, содержащий индий, обладает дырочной проводимостью, то на границе закристаллизовавшегося расплава и гер­мания n-типа образуется р-n-переход (рис. 8,6).

Рассмотрим физические процессы, про­исходящие в р-n-переходе. Пусть донорный полупроводник (работа выхода —,уровень Ферми — Е_F) приводится в кон­такт (рис. 9, б) с акцепторным полу­проводником (работа выхода — А_р, уро­вень Ферми - Е_F). Электроны из n-полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в р-полупроводник, где их концентрация ниже. Диф­фузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении р п.

Кристалл Ge р –типа

Кристалл Ge n -типа

Рис. 8

В n-полупроводнике, из-за ухода элек­тронов, вблизи границы остается неском­пенсированный положительный объемный заряд неподвижных ионизованных донор-ных атомов. В р-полупроводнике, из-за ухода дырок, вблизи границы образуется отрицательный объемный заряд не­подвижных ионизованных акцепторов (рис. 3, а). Эти объемные заряды об­разуют у границы двойной электриче­ский слой, поле которого, направленное от n-области к р-области, препятствует дальнейшему переходу электронов в нап­равлении п —> р и дырок в направлении р -> п. Если концентрации доноров и акцеп­торов в полупроводниках п- и р-типа одинаковы, то толщины слоев d₁ и d₂ (рис. 3, в), в которых локализуются не­подвижные заряды, равны (d₁ = d₂).

При определенной толщине р-n-перехода наступает равновесное состояние, характеризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. 3, в). В области р-n-перехода энер­гетические зоны искривляются, в резуль­тате чего возникают потенциальные барь­еры как для электронов, так и для дырок. Высота потенциального барьера оп­ределяется первоначальной разностью по­ложений уровня Ферми в обоих полу­проводниках. Все энергетические уровни акцепторного полупроводника подняты относительно уровней донорного полу­проводника на высоту, равную, при­чем подъем происходит на толщине двой­ного слоя d.

Толщина d слоя р-n-перехода в полу­проводниках составляет примерно 10 ^-6 --10^{-7 м, а контактная разность потен­циалов} — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую раз­ность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный кон­тактный слой является запирающим (ха­рактеризуется повышенным сопротивле­нием).

а)

б)

в)

Рис.9

. Неравновесное состояние p-n перехода.

Сопротивление запирающего слоя можно изменить с помощью внешнего электрического поля. Если приложенное к р-n-переходу внешнее электрическое поле направлено от n-полупроводника к р-полупроводнику (рис. 10, а), т. е. сов­падает с полем контактного слоя, то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике от границы р-n-перехода в противополож­ные стороны. В результате запирающий слой расширится и его сопротивление возрастет. Направление внешнего поля, расширяющего запирающий слой, называется запирающим (обратным). В этом направлении электрический ток через р-п- переход практически не проходит. Ток в запирающем слое в запирающем направ­лении образуется лишь за счет неоснов­ных носителей тока (электронов в р-полупроводнике и дырок в n-полупроводнике), но ими можно пренебречь, так как концентрации неосновных носителей тока в примесных полупроводниках весьма малы.

б)

а)

Е_к

Е_к

Е

Е

+

+

_

_

р -тип

р -тип

п -тип

п -тип

Рис. 10

Если приложенное к р-n-переходу внеш­нее электрическое поле направлено про­тивоположно полю контактного слоя (рис. 10, б), то оно вызывает движение электронов в n-полупроводнике и дырок в р-полупроводнике к границе р-n-перехода навстречу друг другу. В этой об­ласти они рекомбинируют, толщина кон­тактного слоя и его сопротивление умень­шаются.

Следовательно, в этом направлении электрический ток проходит сквозь р-п- переход в направлении от р-полупроводника к n-полупроводнику; оно назы­вается пропускным (прямым).

Таким образом, р-n-переход (подобно контакту металла с полупроводником) обладает односторонней (вентильной) про­водимостью.

Дата добавления: 2013-12-13