Электронно-дырочный переход

Основу полупроводникового диода составляет электронно-дырочный переход (переход), создаваемый на границе между двумя полупроводниковыми слоями с разным типом проводимости: электронной и дырочной в едином монокристалле полупроводника. Рассмотрим полупроводниковый кристалл, одна область которого легирована акцепторной примесью, другая донорной, с резкой границей между ними (-переход).

Н а границе между p и n слоями создается резкий градиент концентраций основных носителей заряда, т.е. и . Поскольку концентрация дырок в слое p значительно больше, чем в слое n, часть дырок из слоя p устремляется в слой n под действием градиента концентрации. Это диффузионный поток дырок через переход. Оказавшись в слое n, избыточные дырки будут рекомбинировать со свободными электронами n-слоя. При этом часть электронов израсходуется на рекомбинацию, концентрация их уменьшается, и “обнажаются” нескомпенсированные положительные заряды донорных атомов. Слева от границы в p-слое “обнажаются” нескомпенсированные отрицательные заряды акцепторных атомов, поскольку часть дырок ушла отсюда в слой n. (рис.)

Область “обнажившихся” неподвижных пространственных зарядов и есть собственно область перехода: ее протяженность обычно составляет несколько микрон. Эту область еще называют обедненной областью, поскольку в этой области концентрация подвижных носителей заряда (электронов и дырок) существенно меньше, чем в смежных областях p – и n- типа. В результате вблизи границы двух областей полупроводника с разным типом проводимости образуется слой, лишенный подвижных носителей заряда и обладающий высоким электрическим сопротивлением – область пространственного заряда (это другое название того же обедненного слоя).

Этот двойной электрический слой определяет контактную разность потенциалов (потенциальный барьер). Для того чтобы переход был электрически нейтральным, суммарный заряд в переходе должен быть равен нулю, т.е. отрицательный заряд в левой части (p-область) и положительный заряд в правой части (n-область) должны быть одинаковыми (рисунок ). Из этого следует, что несимметричный переход сосредоточен в высокоомном слое. Напряженность поля в слое объемного заряда направлена от положительного заряда к отрицательному.

Поскольку в рассматриваемом случае концентрация акцепторов значительно выше концентрации доноров и поскольку заряды в обеих частях перехода одинаковы, то протяженность положительного заряда в слое n гораздо шире, чем отрицательного в слое p, т.е. .

Итак, в приконтактной P-области возникнет нескомпенсированный отрицательный заряд ионизованных акцепторов, в приконтактной N области возникнет положительный заряд ионизованных доноров. Образование двойного слоя пространственного заряда создаст внутреннее электрическое поле и соответственно потенциальный барьер, препятствующий диффузии.

Это поле препятствует дальнейшему преимущественному перемещению основных носителей. В равновесном состоянии преимущественное перемещение прекращается. С существованием этого поля связана разность потенциалов , которая носит название контактной.

Расчет показывает, что

где - энергетический уровень Ферми для полупроводника n-типа, - энергетический уровень Ферми для полупроводника p-типа, -элементарный электрический заряд.

Ширина -перехода или ширина слоя объемного заряда составляет  10^-7 м. Электрическое поле - перехода накладывается на внутреннее атомное поле в котором электрон находится внутри полупроводника. Величина напряженности  поля - перехода ~10⁶ В/м существенно меньше напряженности атомных полей ~10⁸ В/м, поэтому поле объемного приконтактного заряда не изменяет зонной структуры, а лишь смещает зоны соседних полупроводников. В отсутствие внешнего напряжения уровни Ферми в обоих образцах совпадают, так как образцы n - и p- типов образуют теперь единую систему. Вдали от - перехода структура зон остается неизменной, т.е. уровень Ферми близок к зоне проводимости в n- области и к валентной зоне в р -области. В таком случае неизбежно относительное смещение зон полупроводников n- и p-типов.

Э нергетическая диаграмма перехода в момент создания p-n перехода

Энергетическая диаграмма перехода в состоянии равновесия.