Равновесното състояние на p-n прехода
Образуване на p-n преход
Помислете за образуването на асиметричен p-n преход с идеален контакт на два полупроводника с различни видове проводимост. През равнината на металургичния контакт (равнината, в която се променя вида на примесите, преобладаващи в полупроводниците) се получава дифузия поради концентрационния градиент на носителите на заряд. В резултат на дифузията на носители на заряд се нарушава електрическата неутралност на частите на монокристала на полупроводника, съседни на металургичния контакт.
Нека концентрацията на акцепториNA в областта на p-тип полупроводник е по-голяма от концентрацията на донориND в областта на n-тип полупроводник:NA>>ND. В този случай концентрацията на основните носители на заряд - дупки в p-тип полупроводник ще бъде по-голяма от концентрацията на основните носители на заряд - електрони в n-тип полупроводник:
Ориз. 1. Равновесен асиметричен p-n преход
Фигура 1 показва, че към прехода не се прилага външно напрежение и p- и n-областите са свързани помежду си, което потвърждава разглеждането на p-n прехода в равновесно състояние.
Да кажемNA = 10 18 cm -3 , aND = 10 15 cm -3 . Нека обясним процеса на образуване на p-n преход с помощта на диаграмите, показани на фиг. 2. Фигура 2 показва:
+ - дупка - основният носител на заряд на p-тип полупроводник;
- - електрон - основният носител на заряд на n-тип полупроводник;
-положителен донорен йон; отрицателен йонакцептор;
lp– ширината на p-n прехода в областта на p-тип полупроводник;ln– ширината на p-n прехода в областта на n-типа полупроводник;l0- ширината на p-n прехода в равновесно състояние.
Ориз. 2. Образуване на асиметричен p-n преход
Разпределението на концентрацията на големи и второстепенни носители на заряд в полупроводниците се определя от закона за действието на масите. И така, за p-тип полупроводник, законът за масовото действие е написан като
.
Да приемем, че за производството на p-n прехода се използва полупроводниковият материал германий, в който собствената концентрация (концентрацията на свободните носители на заряд в i-тип полупроводник) на носители на заряд еniGE= 2,510 13 cm -3. При условиетоpp=NA = 10 18 cm -3 от закона за действието на масите намираме, че
В полупроводник от n-тип законът за масовото действие се определя от отношението
При условиеnn= ND = 10 15 cm -3 от закона за действието на масите получаваме, чеpn=6.2510 11 cm -3 .
В резултат на разликата в концентрациите на подвижните носители на заряд на контактната граница на p- и n-тип полупроводници (диаграма 2, фиг. 2), има концентрационен градиент на носители на заряд от всеки знак. Под влияние на концентрационния градиент основните носители на заряд ще дифундират от област с висока концентрация към област с по-ниска концентрация. Тъй като концентрацията на дупки в областта p е по-висока, отколкото в областта n, в резултат на дифузия някои от дупките ще преминат в областта n, където в близост до границата ще има излишни дупки, които ще се рекомбинират с електрони. Съответно концентрацията на свободни електрони в тази зона ще намалее и ще се образува област от некомпенсирани положителни електрони.йони на донорния примес. В областта Bp отклонението на дупките от граничния слой насърчава образуването на област с некомпенсирани отрицателни заряди на акцепторни примесни йони. По подобен начин възниква дифузионно движение на електрони от n-слоя към p-слоя (диаграма 1, фиг. 2).По подобен начин електроните от областта на n-тип полупроводник преминават в областта на p-тип полупроводник, оставяйки положителни донорни йони в n-тип полупроводник. В областта на p-тип полупроводник, рекомбинацията на електрони с дупки допълнително отваря отрицателни акцепторни йони.
Отрицателните акцепторни йони и положителните донорни йони са разположени в местата на кристалната решетка и следователно не могат да се движат през полупроводниковия кристал. Областта на образуваните неподвижни пространствени заряди (йони) е областта на p-n прехода (диаграма 3, фиг. 2). Той има намалена концентрация на основните носители на заряд и съответно повишено съпротивление, което определя електрическото съпротивление на цялата система. В зони, съседни на контактната точка на две различни области, условието за електрическа неутралност е нарушено. Но извън p-n прехода всички заряди взаимно се компенсират и полупроводникът остава електрически неутрален.
По този начин в близост до контакта на полупроводници с различни видове проводимост възниква двоен слой пространствен заряд: отрицателен в областта на полупроводника от р-тип; положителен в областта на n-тип полупроводник (диаграма 1 Фиг. 2).
В областта на космическите заряди концентрацията на мобилни носители на заряд е ниска, поради което този слой има повишено съпротивление и се нарича бариерен слой или p-n преход.
И така,електронна дупкаилиp-n преходе тънък полупроводников слой, който се появява наинтерфейсът между два полупроводника с различни видове проводимост, който е обеднен на мобилни носители на заряд и има високо съпротивление.
Електрическото поле, което възниква между противоположните йони, предотвратява движението на основните носители на заряд (диаграма 4, фиг. 2). Следователно потокът от дупки от p-областта към n-областта и електрони от n- към p-областта намалява с увеличаване на напрегнатостта на електрическото поле. Това поле обаче не възпрепятства движението на миноритарни носители, присъстващи в p- и n-регионите през кръстовището. Тези носители на заряд със собствена електрическа проводимост, имащи енергия от топлинен произход, се генерират в обема на полупроводника и, дифундирайки към електрическия преход, се улавят от електрическото поле. Те се прехвърлят в област с противоположна електрическа проводимост.
Преходът на незначителните носители води до намаляване на пространствения заряд и електрическото поле при прехода. В резултат на това се осъществява допълнителен дифузионен преход на основните носители, в резултат на което електрическото поле приема първоначалната си стойност. Когато потоците на основните и второстепенните носители на заряд и съответно токовете са равни, настъпва динамично равновесие.
Ширината на p-n прехода може да се намери чрез интегриране на уравнението на Поасон, което определя разпределението на електрическото полеE(x)и потенциала(x). При това те получават:
където е диелектричната проницаемост на полупроводника; 0 е диелектричната проницаемост на вакуума (диелектрична константа);qе зарядът на електрона; K е контактната потенциална разлика;NA е концентрацията на акцепторите;ND е концентрацията на донорите.
Тъй катоNA>>ND, тогаваlp>NDиln>>lpи p-n преходът е основное в областта на n-тип полупроводник, т.е. във високия слой. Такива p-n преходи се наричат асиметрични преходи. Обикновено ширината на p-n прехода е:l0= (0,1…1,0) µm. 1.