Рівноважний стан p-n переходу
Освіта p-n переходу
Розглянемо утворення несиметричного p-n переходу за ідеального контакту двох напівпровідників з різним типом провідності. Через площину металургійного контакту (площина, де змінюється тип домішок, що переважають у напівпровідниках) виникає дифузія через градієнт концентрації носіїв заряду. В результаті дифузії носіїв заряду порушується електрична нейтральність частин монокристалу напівпровідника, що примикають до металургійного контакту.
Нехай концентрація акцепторівNАв області напівпровідника p-типу більше концентрації донорівNДв області напівпровідника n-типу:NА>>NД. При цьому концентрація основних носіїв заряду – дірок у напівпровіднику p-типу буде більшою за концентрацію основних носіїв заряду – електронів у напівпровіднику n-типу:
Мал. 1. Рівноважний несиметричний p-n перехід
На рис.1 зазначено, що зовнішню напругу на перехід не подається, а p- та n-області з'єднані між собою, підтверджуючи розгляд p-n переходу в рівноважному стані.
Припустимо,NА = 1018 см -3 , аNД = 1015 см -3. Пояснимо процес утворення p-n переходу за допомогою діаграм, представлених на рис.2. На рис.2 позначено:
+ – дірка – основний носій заряду напівпровідника p-типу;
- – електрон – основний носій заряду напівпровідника n-типу;
-позитивний іон донора; негативний іонакцептора;
lp– ширина p-n переходу області напівпровідника p-типа;ln– ширина p-n переходу області напівпровідника n-типу;l0 - ширина p-n переходу в рівноважному стані.
Мал. 2. Утворення несиметричного p-n переходу
Розподіл концентрацій основних та неосновних носіїв заряду в напівпровідниках визначаються із закону діючих мас. Так, для напівпровідника p-типу закон діючих мас записується як
.
Припустимо, що для виготовлення p-n переходу використовується напівпровідниковий матеріал германій, у якого власна концентрація (концентрація вільних носіїв заряду в напівпровіднику i-типу) носіїв заряду становить величинуniGE= 2,510 13 см -3 . За умовиpp=NА = 10 18 см -3 із закону діючих мас знаходимо, що
У напівпровіднику n-типу закон чинних мас визначається співвідношенням
За умовиnn= NД = 1015 см -3 із закону діючих мас отримуємо, щоpn=6,2510 11 см -3 .
Через війну різниці концентрацій рухомих носіїв заряду межі контакту напівпровідників p- і n-типів (діаграма 2 рис.2) має місце градієнт концентрації носіїв заряду кожного знака. Під дією градієнта концентрації відбуватиметься дифузія основних носіїв заряду з області з високою концентрацією область з меншою їх концентрацією. Так як концентрація дірок в області p- вище, ніж в n-області, частина дірок в результаті дифузії перейде в n-область, де поблизу кордону виявляться надлишкові дірки, які будуть рекомбінувати з електронами. Відповідно в цій зоні зменшиться концентрація вільних електронів і утвориться область некомпенсованих позитивнихіонів донорної домішки. Вp-області відхід дірок з граничного шару сприяє утворенню області з некомпенсованим негативними зарядами іонів акцепторної домішки. Подібним чином відбувається дифузійне переміщення електронів зn-шару вp-шар (діаграма 1 рис.2).Аналогічно і електрони з області напівпровідника n-типу переходять в область напівпровідника p-типу, залишаючи в напівпровіднику n-типу позитивні іони донорів. В області напівпровідника p-типу при рекомбінації електронів із дірками додатково відкриваються негативні іони акцепторів.
Негативні іони акцепторів та позитивні іони донорів знаходяться у вузлах кристалічної решітки і тому не можуть рухатися кристалом напівпровідника. Область нерухомих просторових зарядів (іонів), що утворилися, і є область p-n-переходу (діаграма 3 рис.2). У ній мають місце знижена концентрація основних носіїв заряду і, отже, підвищений опір, який визначає електричний опір усієї системи. У зонах, прилеглих до місця контакту двох різнорідних областей, порушується умова електронейтральності. Але за межами p-n переходу всі заряди взаємно компенсують один одного, і напівпровідник залишається електрично нейтральним.
Таким чином, поблизу контакту напівпровідників з різним типом провідності виникає подвійний шар просторового заряду: негативний області напівпровідника p-типу; позитивний області напівпровідника n-типу (діаграма 1 рис.2).
В області об'ємних зарядів мала концентрація рухомих носіїв заряду, тому цей шар має підвищений опір і називається запірним шаром або p-n переходом.
Отже,електронно-дірковийабоp-n перехід- це тонкий шар напівпровідника, що виникає намежі розділу двох напівпровідників з різним типом провідності, який збіднений рухомими носіями заряду і має високий опір.
Електричне поле, що виникає між різноіменними іонами, запобігає переміщенню основних носіїв заряду (діаграма 4 рис.2). Тому потік дірок з області p-в область n-і електронів изn-вp-область зменшується зі зростанням напруженості електричного поля. Однак це поле не перешкоджає руху через перехід неосновних носіїв, наявних в p-in-областях. Ці носії заряду власної електропровідності, що мають енергію теплового походження, генеруються обсягом напівпровідника і, дифузуючи до електричного переходу, захоплюються електричним полем. Вони перекидаються в область із протилежною електропровідністю.
Перехід неосновних носіїв призводить до зменшення об'ємного заряду та електричного поля у переході. Як наслідок, має місце додатковий дифузійний перехід основних носіїв, внаслідок чого електричне поле набуває вихідного значення. При рівності потоків основних та неосновних носіїв заряду і відповідно струмів настає динамічна рівновага.
Ширина p-n переходу може бути знайдена при інтегруванні рівняння Пуассона, яке визначає розподіл напруженості електричного поляE(x)і потенціалу(x). При цьому одержують:
де – діелектрична проникність напівпровідника; 0– діелектрична проникність вакууму (діелектрична постійна);q– заряд електрона;>N Д-концентрація донорів.
ОскількиNА>NД, тоlp>NД, аln>lpі p-n перехід в основномуперебуває у області напівпровідника n-типу, тобто. у високоомному шарі. Такі p-n переходи називаються несиметричними переходами. Зазвичай ширина p-n переходу має значення:l0 = (0,1 ... 1,0) мкм. 1.