1.1 Електронно-дірковий перехід

Робота цілого ряду напівпровідникових приладів (діодів, транзисторів, тиристорів і ін.) заснована на явищах, що виникають у контакті між напівпровідниками з різними типами провідності, або в контакті напівпровідника з металом. Границя між двома областями монокристала напівпровідника, одна з яких має електропровідність типу p, а інша – типу n називається електронно-дірковим переходом. Концентрації основних носіїв заряду в областях p і n можуть бути рівними або суттєво відрізнятися; p-n-перехід, у якого концентрації дірок і електронів практично рівні , називають симетричним. Якщо концентрації основних носіїв заряду різні ( або ) і відрізняються в 100...1000 разів, то такі переходи називають несиметричними. Несиметричні p-n-переходи використовуються ширше, ніж симетричні, тому надалі будемо розглядати тільки їх.

Розглянемо монокристал напівпровідника (рисунок 1.1.1), у якого з однієї сторони введена акцепторна домішка, що обумовила виникнення тут електропровідності типу p, а з іншої сторони введена донорна домішка, завдяки якій там виникла електропровідність типу n. Кожному рухомому позитивному носієві заряду в області p (дірці) відповідає негативно заряджений іон акцепторної домішки, але нерухомий, що перебуває у вузлі кристалічної ґратки, а в області n кожному вільному електрону відповідає позитивно заряджений іон донорної домішки, у результаті чого весь монокристал залишається електрично нейтральним.

Рисунок 1.1.1 – Початковий момент утворення p-n-переходу

Вільні носії електричних зарядів під дією градієнта концентрації починають переміщатися з місць із великою концентрацією в місця з меншою концентрацією. Так дірки будуть дифундувати з області p в область n, а електрони – навпаки, з області n в область p. Це спрямоване назустріч один одному переміщення електричних зарядів утворює дифузійний струм p-n-переходу. Але як тільки дірка з області p перейде в область n, вона виявляється в оточенні електронів, що є основними носіями електричних зарядів в області n. Тому велика ймовірність того, що який-небудь електрон заповнить вільний рівень у дірці й відбудеться явище рекомбінації, у результаті якої не буде ні дірки, ні електрона, а залишиться електрично нейтральний атом напівпровідника. Але якщо раніше позитивний електричний заряд кожної дірки компенсувався негативним зарядом іона акцепторної домішки в області p, а заряд електрона – позитивним зарядом іона донорної домішки в області n, то після рекомбінації дірки й електрона електричні заряди нерухомих іонів домішок, що породили цю дірку й електрон, залишилися не скомпенсованими. І в першу чергу не скомпенсовані заряди іонів домішок проявляють себе поблизу границі розділу (рисунок 1.1.2), де утворюється шар просторових зарядів, розділених вузьким проміжком . Між цими зарядами виникає електричне поле, яке називають полем потенційного бар'єра, а різниця потенціалів на границі розділу двох зон, що обумовлюють це поле, називають контактною різницею потенціалів .

Рисунок 1.1.2 – p-n-перехід при відсутності зовнішньої напруги

Це електричне поле починає діяти на рухомі носії електричних зарядів. Так дірки в області p – основні носії, потрапляючи в зону дії цього поля, зазнають із боку його гальмуючу, відштовхуючу дію й, переміщаючись уздовж силових ліній цього поля, будуть виштовхнуті вглиб області p. Аналогічно, електрони з області n, потрапляючи в зону дії поля потенційного бар'єра, будуть виштовхнуті полем углиб області n. Таким чином, у вузькій області , де діє поле потенційного бар'єра, утворюється шар, де практично відсутні вільні носії електричних зарядів і внаслідок цього він має високий опір. Це так званий замикаючий шар.

Якщо ж в області p поблизу границі розділу яким-небудь чином опиниться вільний електрон, що є неосновним носієм для цієї області, то він з боку електричного поля потенційного бар'єра буде зазнавати прискорювальний вплив, внаслідок чого цей електрон буде переміщуватись через границю розділу в область n, де він буде основним носієм. Аналогічно, якщо в області n з'явиться неосновний носій – дірка, то під дією поля потенційного бар'єра вона буде переміщуватись в область p, де вона буде вже основним носієм. Рух неосновних носіїв через p-n-перехід під дією електричного поля потенційного бар'єра обумовлює складову дрейфового струму.

При відсутності зовнішнього електричного поля встановлюється динамічна рівновага між потоками основних і неосновних носіїв електричних зарядів, тобто між дифузійною й дрейфовою складовими струму p-n-переходу, оскільки ці складові спрямовані назустріч один одному.

Потенційна діаграма p-n-переходу зображена на рисунку 1.1.2, причому за нульовий потенціал прийнятий потенціал на границі розділу областей. Контактна різниця потенціалів утворює на границі розілу потенційний бар'єр з висотою . На рисунку 1.1.2 зображений потенційний бар'єр для електронів, що прагнуть за рахунок дифузії переміщатися з області n в область p. Якщо відкласти зверху позитивний потенціал, то можна одержати зображення потенційного бар'єра для дірок, що дифундують з області p в область n.

При відсутності зовнішнього електричного поля й за умови динамічної рівноваги в кристалі напівпровідника встановлюється єдиний рівень Фермі для обох областей провідності.

Однак, оскільки в напівпровідниках p-типу рівень Фермі зміщюється до стелі валентної зони , а в напівпровідниках n-типу – до дна зони провідності , то на ширині p-n-переходу діаграма енергетичних зон (рисунок 1.1.3) викривляється й утворюється потенційний бар'єр:

,

де – енергетичний бар'єр, який необхідно подолати електрону в області n, щоб він міг перейти в область p, або аналогічно для дірки в області p, щоб вона могла перейти в область n.

Висота потенційного бар'єра залежить від концентрації домішок, тому що при її зміні змінюється рівень Фермі, зміщуючись від середини забороненої зони до верхньої або нижній її границі.

Рисунок 1.1.3 – Зонна діаграма p-n-переходу, що ілюструє баланс струмів у рівноважному стані