Равновесное состояние р-n-перехода

• ⇐ Назад
2
3
4
5
6
7
8910
11
12
13
14
15
16
17
Далее ⇒

Будем для простоты рассматривать ступенчатый симметричный р-n-переход (рис.6.2). Пусть металлургической границей является плоскость Х = 0. Температура р-n-перехода соответствует области температур истощения примеси. Поэтому в n-области концентрация основных носителей заряда электронов

n_nо = N_Д

и n_nо >> р_nо – концентрации неосновных носителей заряда – дырок.

Для р-области концентрация основных носителей заряда – дырок

р_ро = N_А

и р_ро >> n_ро – концентрации неосновных носителей заряда – электронов. Концентрации неосновных носителей заряда можно определить из соотношения:

n_nор_nо = n_рор_ро = n_i².

Для примера в Si: n_i » 10¹⁰ см^-3; N_Д » N_А » 10¹⁴ см^-3. Тогда n_nо » р_ро » 10¹⁴ см^-3, n_ро » р_nо » 10⁶ см^-3. Видно, что концентрации основных и неосновных носителей заряда различаются примерно на восемь порядков.

Большое различие в концентрациях однотипных носителей заряда в контактирующих областях приводит в момент образования контакта к возникновению мощных диффузионных потоков основных носителей заряда: электронов из n-области в р-область и дырок из р-области в n-область

Электроны, перешедшие в р-область, рекомбинируют вблизи границы раздела с дырками этой области. В результате в приконтактном слое р-области практически не остается дырок (рис.6.2б). Поскольку в полупроводнике р-типа дырки возникают за счет ионизации акцепторной примеси, то в приконтактном слое р-области формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора (рис.6.2в). Дырки, которые компенсировали этот заряд, прорекомбинировали с электронами, перешедшими из n-области. Кроме того, концентрация дырок в приконтактном слое р-области уменьшается за счет диффузионного потока дырок в n-область.

Аналогично, дырки, перешедшие из р-области в n-область, рекомбинируют в близи границы раздела с электронами n-области. В результате в приконтактном слое n-области практически не остается электронов (рис.6.2б). Кроме того, концентрация электронов уменьшается за счет перехода части электронов в р-область за счет диффузионного потока электронов в p-область. Поэтому в приконтактном слое n-области формируется неподвижный объемный положительный заряд ионизированных атомов донора (рис.6.2в).

Появление зарядов приводит к возникновению разности потенциалов и соответствующего ей электрического поля Е. Направление поля таково, что оно препятствует движению основных носителей заряда через переход и приводит к снижению диффузионных потоков основных носителей заряда. То есть движению основных носителей заряда препятствует потенциальный барьер.

Но это же поле не препятствует движению неосновных носителей заряда. Электроны из р-области и дырки из n-области в силу теплового движения попадают в слой объемного заряда. Здесь они подхватываются полем и переносятся через р-n-переход. Возникают потоки неосновных носителей заряда (рис.6.2б):

В первый момент образования р-n-перехода потоки основных носителей заряда много больше потоков неосновных носителей.

Но по мере роста объемного заряда увеличивается напряженность электрического поля, возрастает потенциальный барьер, что уменьшает потоки основных носителей заряда. В тоже время потоки неосновных носителей заряда остаются неизменными, поскольку поле не препятствует их движению через переход. Для них потенциальный барьер в переходе отсутствует. Поэтому электрическое поле быстро достигает такой величины, при которой наступает равенство потоков основных и неосновных носителей заряда:

;

Это соответствует установлению в р-n-переходе состояния динамического равновесия, которому отвечает контактная разность потенциалов, обозначаемая как V_к. Этой разности потенциалов отвечает электрическое поле с напряженностью E_к и потенциальный барьер для основных носителей заряда qV_k.

Электрический ток через переход в состоянии равновесия равен нулю.

Величина контактной разности потенциалов определяется соотношением:

V_К = ,

или:

Vк = = .

Отсюда следует, что Vк возрастает с увеличением концентрации основных носителей заряда или увеличением концентрации донорной и акцепторной примесей в р- и n-областях. Vк возрастает так же с увеличением Eg полупроводника, так как при этом n_i уменьшается. Например, для Si с n_i»10¹⁰ см^-3 при T = 300К, N_А= N_Д = 10¹⁶ см^-3 V_К = 0,71 В.

Толщина р-n-перехода

Внешние границы областей пространственных зарядов являются границами р-n-перехода и определяют его толщину d. Различают толщину перехода в р- и n-областях, которые обозначаются как d_р и d_n (рис.6.2в).

Расчеты показывают, что толщина слоя объемного заряда в области р-n-перехода определяется выражением:

d = ; ; d_n + d_р = d . (6.4)

Здесь:V – внешнее напряжение, приложенное к переходу, d_n – толщина слоя объемного заряда в n-области, d_р – толщина слоя объемного заряда в р-области. Толщина слоя объемного заряда тем больше, чем ниже концентрация основных носителей заряда, равная концентрация соответствующей примеси. При этом толщина слоя больше в той области, где меньше концентрация примеси. Например, при N_Д << N_А практически весь р-n-переход локализуется в n-области.

Так для Si при V=0, N_Д=10¹⁴см^-3, N_А=10¹⁶см^-3, V_К=0,59В, d=2,8 мкм, d_n=2,77 мкм, d_p=0,028 мкм. Соответственно поле контактной разности потенциалов локализуется в той области, где толщина слоя объемного заряда больше.

Интересно оценить напряженность поля в р-n-переходе: Е_к = V_к/d = 2,1*10⁵ В/м – весьма большая величина.

---

• ⇐ Назад
2
3
4
5
6
7
8910
11
12
13
14
15
16
17
Далее ⇒