2.1. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия. (возникновение обедненного слоя и потенциального барьера в p-n-переходе. Координатные зависимости энергий уровней электронов в p-n-переходе)

Если в одну из областей полупроводникового кристалла введена донорная, а другую акцепторная примесь, то образуется, соответственно, n-область и p-область. Тонкий слой между p и n областями, обладающий особыми электрическими свойствами, называется p-n-переходом(электронно-дырочным переходом).

Состояние полупроводника, когда R=G, называется равновесным; в этом состоянии в собственном полупроводнике устанавливаются равновесные концентрации электронов и дырок, обозначаемые ni и pi . Поскольку электроны и дырки генерируются парами, то выполняется условие: n_i=p_i . При этом полупроводник остается электрически нейтральным, т.к. суммарный отрицательный заряд электронов компенсируется суммарным положительным зарядом дырок. Это условие называется законом нейтральности заряда. При комнатной температуре в кремнии n_i=p_i=1,4· 1010 см-3, а в германии n_i=p_i=2,5· 1013 см-3. Различие в концентрациях объясняется тем, что для разрыва ковалентных связей в кремнии требуются большие затраты энергии, чем в германии. С ростом температуры концентрации электронов и дырок возрастают по экспоненциальному закону.

Область вблизи электрического контакта, например, полупроводника с металлом, двух полупроводников с разным типом проводимости, представляющая собой слой ионизованных примесей, в котором почти полностью отсутствуют свободные носители заряда. Образуется в большинстве полупроводниковых переходов в результате диффузии свободных носителей из одного контактирующего тела в другое или под действием внешнего электрического поля.

Наиболее отчётливо обеднённый слой выражен в контактах Шоттки (контакт металл - полупроводник) и электронно-дырочных переходах (p-n-переходах). В условиях термодинамического равновесия в контактах Шоттки и p-n-переходах концентрация свободных носителей заряда в обеднённом слое равна собственной концентрации носителей в полупроводнике. В МДП-структурах обеднённый слой образуется при приложении внешнего напряжения, а в отсутствие напряжения - при наличии заряженных центров на границе раздела диэлектрик - ПП.

Сопротивление и ёмкость обеднённого слоя зависят от внешнего напряжения, что используется в варикапах, варисторах, параметрических диодах и др. ПП приборах.

Барьер Шотки (англ. Schottky barrier) — потенциальный барьер, образующийся в приконтактном слое полупроводника, граничащего с металлом, равный разности работ выхода (энергий, затрачиваемых на удаление электрона из твердого тела или жидкости в вакуум) металла и полупроводника:

Назван по имени немецкого ученого В. Шоттки (W. Schottky), исследовавшего такой барьер в 1939 г. Для возникновения потенциального барьера необходимо, чтобы работы выхода металла и полупроводника были различными. При сближении полупроводника n-типа с металлом, имеющим большую, чем у полупроводника, работу выхода φ, металл заряжается отрицательно, а полупроводник — положительно, так как электронам легче перейти из полупроводника в металл, чем обратно. Напротив, при сближении полупроводника p -типа с металлом, обладающим меньшей φ, металл заряжается положительно, а полупроводник — отрицательно. При установлении равновесия между металлом и полупроводником возникает контактная разность потенциалов:

( e— заряд электрона). Из-за большой электропроводности металла электрическое поле в него не проникает, и разность потенциалов U_к создается в приповерхностном слое полупроводника. Направление электрического поля в этом слое таково, что энергия основных носителей заряда в нем больше, чем в толще полупроводника. В результате в полупроводнике вблизи контакта с металлом при для полупроводника n -типа, или при для полупроводника p-типа возникает потенциальный барьер.

В реальных структурах металл–полупроводник соотношение не выполняется, так как на поверхности полупроводника или в тонкой диэлектрической прослойке, часто образующейся между металлом и полупроводником, обычно имеются локальные электронные состояния.

Барьер Шоттки обладает выпрямляющими свойствами. Ток через него при наложении внешнего электрического поля создается почти целиком основными носителями заряда. Контакты металл — полупроводник с барьером Шоттки широко используются в сверхвысокочастотных детекторах, транзисторах и фотодиодах.