Образование электронно - дырочного перехода

 В большинстве полупроводниковых приборов исполь­зуются кристаллы комбинированного полупроводника с двумя и более слоями (зонами), образованными примесными полупроводниками с различным типом проводимости, т. е. полупроводниками р и n - типа.

Область комбинированного полупроводника, расположенная вблизи ме­таллургической границы, разделяющей полупровод­ник на две части с разнотипной проводимостью ( p и n - зоны), называется электронно - дырочным переходом или р – п - переходом.

Электронно-дырочный переход (рис. 7) обычно получают вплавлением или диффузией соответствую­щих примесей в пластинку монокристалла чистого полупроводника. Электронно-дырочный переход представляет собой очень тонкий (не более де­сятых долей микрометра) слой, разделяющий р и n – полупроводники (р и n – зоны) и в отличие от примесных или чистых полупроводников обладающий свойством односторонней проводимости, на использовании которой основана работа полупроводниковых приборов.

 Образование электронно-дырочного перехода обусловлено различием концентраций подвижных носителей заряда в электронной и дырочной областях (зонах) комбинированного р - n – полупроводника. В отсутствие внешнего электрического поля в зоне контакта полупроводников р и n – типа из-за разности концентраций подвижных носителей заряда в р и n - зонах происходит процесс диффузии основных носителей электрических заряда из зоны с повышенной концентрацией носителей в зону с по­ниженной концентрацией носителей заряда (диффузионный ток I _ДИФ), т. е. дырки, концентрация которых повышена в полупроводнике р – типа, диффундируют в n - зону, а электроны, концентрация которых повышена в полупроводнике n – типа - диффундиру­ют в р – зону. При встречном движении положительных (дырок) и отрицательных (электронов) носителей зарядов они взаимно нейтрализуются (рекомбинируют) и вблизи границы раздела полупроводников р и n – типа возникает область, обеднённая подвижными основными носителями заряда и обладающая высоким электрическим сопротивлением (запирающий слой).

 

Рис. 7. Структура электронно-дырочного перехода

Если бы электроны и дырки были нейтральными, то в процессе диффузии произошло бы в конечном итоге полное выравниванию их концентраций по всему объ­ему кристалла. Однако в действительности этого не происходит, поскольку диффузионный ток через р и n - пере­ход приводит к нарушению баланса положительных и отрица­тельных зарядов и возникновению в запирающем слое электрического поля, препятствующего диффузии носителей зарядов. Уход электронов из n - зоны полупроводника приводит к тому, что их концентрация вблизи р и n - пере­хода уменьшается и здесь возникает не скомпенсированный положительный заряд неподвижных ионов донорной примеси. В другой части полупроводника - в р – зоне - вследствие ухода дырок их концентрация вблизи р и n - пере­хода снижается и здесь возникает не скомпенсированный отрицательный заряд неподвижных ионов кристаллической решётки.

Таким образом, в результате диффузии носителей заряда в запираю­щем слое нарушается баланс положительных и отрица­тельных зарядов и на границе раздела полупроводников р и n – типа возникают два слоя противоположных по знаку зарядов, образованных неподвижными ионами кристаллической решётки: отрицательными в р - зоне, в положительными в n – зоне, т. е. возникает так называемый двойной электрический слой.

Этот двойной электрический слой (контактная разность потенциалов), образованный пространственными зарядами ионов кристаллической решётки, создает внутри запирающего слоя электри­ческое поле напряженностью E _ПЕР ( поле перехода или потенциальный барьер), направленное от n - зоны полупроводника к р – зоне, т. е. направленное навстречу диффузионному току. Под действием поля перехода возникает встречное движение неосновных носителей заряда через р – п - переход – дырок из n – зоны и электронов – из р – зоны, т. е. возникает так называемый дрейфовый ток I _ДР , направленный навстречу диф­фузионному току.

Разделение носителей заряда на диффундирующие и дрейфующие довольно условно, т.к. в действительности каждый носитель заряда в запирающем слое находится в движении под одновременным действием сил диффузии и внутреннего электрического поля перехода. Через некоторое время дрейфовый ток полностью компенсирует диффузионный и в области р – п - перехода наступает динамическое равновесие, когда результирующий ток через переход равен нулю

I = I _ДИФ - I _ДР = 0.

Такой режим соответствует равновесному со­стоянию р – п - перехода при отсутствии внешнего электри­ческого поля.