1.2. Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочным или РN - переходом называют тонкий слой полупроводника между двумя областями, одна из которых представляет полупроводник Р-типа, а другая N- типа. Такие переходы получают, например, вплавленном соответствующих примесей в пластинки, вырезанные из монокристалла полупроводника.
Все полупроводниковые элементы основаны на физических процессах, происходящих в РN-переходе и прилегающих к нему РN-областях.
Концентрации основных носителей заряда в РN-областях могут быть равны или существенно различаться. В первом случае РN-переход называют симметричным, во втором – несимметричным. Чаще используют несимметричные переходы.
Рассмотрим процессы в электронно-дырочной структуре, предполагая, что концентрация акцепторной примеси в Р-области больше, чем концентрация донорной примеси в N-области (рис.4, а). Различие концентраций примесей создает различие и в концентрациях носителей, так как концентрация дырок в Р-области больше концентрации свободных электронов в N-области.
Так как дырки и свободные электроны подвижны, они диффундируют внутри кристаллов полупроводника, как перемещаясь в своей области, так и переходя из одной области в другую. Поскольку концентрация дырок в Р-области выше, в основном происходит переход дырок из Р-области в N- область, как показывают стрелки на рис. 4, а. Эти переходы носителей создают диффузионный ток.
Если бы электроны и дырки были нейтральными, то диффузия в конечном итоге привела бы к полному выравниванию их концентраций по всему объему кристалла. Однако этого не происходит по следующей причине. Напомним, что отдельно взятая область полупроводника электрически нейтральна (например, в N-области общий отрицательный заряд свободных электронов равен общему положительному заряду ионов донорных атомов). Дырки, переходя из Р-области в N-область, рекомбинируют с частью электронов N-области, в результате чего положительно заряженные ионы донорной примеси образуют приграничный слой с положительным зарядом (рис. 4, б). Подобным же образом уход дырок из Р-области влечет образование приграничной области с некомпенсированными отрицательными зарядами ионов акцепторной примеси.
Рис.4. PN-структура:
а – диффузионные
токи (○-
дырки, ●
– электроны);
б – равновесное состояние (
– ионы донорной и
– акцепторной примеси); в – концентрация
дырок (P)
и свободных электронов (N)
в равновесном состоянии; г – распределение
потенциала; д – энергетическая зонная
диаграмма
Аналогично происходит диффузионное перемещение электронов из N-области в Р-область, приводящее к тому же эффекту, т. е образованию зарядов с противоположным знаком в приграничном слое между Р- и N-областями. Этот приграничный слой и представляет РN-переход.
Пространственные заряды образуют в переходе электрическое поле, направленное так, что оно препятствует дрейфу носителей. В самом деле, дырка, подошедшая к границе со стороны Р-области, возвращается обратно положительно заряженными ионами N-области, так как одноименные заряды отталкиваются. Подобным же образом отрицательно заряженные ионы Р-области отталкивают в глубь N-области электроны, подошедшие из нее к границе вследствие диффузии.
Это перемещение (выталкивание) носителей под действием электрического поля называют дрейфовым током. Так как дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному, процесс накапливания зарядов в РN-переходе происходит до тех пор, пока дрейфовый ток не уравновесит диффузионный. При таком динамическом равновесном состоянии в кристалле устанавливается (рис. 4, в) концентрация дырок (Р) и свободных электронов (N), показывающая, что РN-переход представляет слой с пониженным содержанием носителей (так называемый обеднённый слой), который определяет относительно высокое электрическое сопротивление РN-перехода.
Разность потенциалов, образованную приграничными зарядами, называют контактной разностью потенциалов UK (рис. 4, г) или потенциальным барьером, препятствующим прохождению тока через PN-переход.