Проводимости полупроводника с одним видом примеси Свойства электронно-дырочного перехода в полупроводниках

Рассмотрим контакт двух примесных полупроводников с различным типом примеси - донорной ( n - типа) и акцепторной ( р - типа). Тонкий слой на границе между двумя областями кристалла с разными типами проводимости называют электронно-дырочным переходом, или p-n- переходом.

Электроны являются основными носителями заряда в области n - типа и неосновными - в области р - типа. Дырки же - основные носители заряда в области p -типа и неосновные в области n - типа. Концентрация основных носителей заряда в германии и кремнии составляет, примерно, I0²² м ^-3, а неосновных - I0¹⁶ м ^-3.

Такое различие в концентрациях носителей одного типа по обе стороны контакта ведет к возникновению диффузионных потоков дырок (из области p -типа в область n – типа) и электронов - в обратном направлении. В результате n-полупроводник вблизи контакта заряжается положительно, p-полупроводник -отрицательно, и между ними возникает разность потенциалов (рис. З).

Контактное поле противодействует диффузии основных носителей тока (электронов из n - области и дырок из p - области), и в результате наступает динамическое равновесие, когда ток, обусловленный основными носителями тока (j _осн ), уравновешивается встречным током неосновных носителей (j_неосн), для которых контактное поле является ускоряющим (рис.3).

Рис. 3. Появление контактного поля Е_к

вблизи p- n- перехода

Наличие избыточного положительного заряда в n- области и отрицательного заряда в p- области приводит к тому, что все энергетические уровни (в том числе и уровень Ферми) n- области понижаются, a p- области повышаются. Диффузионный поток прекращается, когда уровни Ферми выравниваются, и в результате между двумя областями устанавливается равновесная контактная разность потенциалов U_k.

На рис. 4 показана схема энергетических уровней в р – и n - полупроводниках непосредственно в момент их соприкосновения, то есть до начала диффузионного перехода носителей зарядов. На рис. 5 приведена схема энергетических уровней после установления равновесия.

Высота потенциального барьера eU_k в месте контакта в момент равновесия определяется разностью значений энергий Ферми в р- и n- полупроводниках. Когда внешнее поле отсутствует, результирующий поток зарядов через область контакта, обусловленный как основными, так и неосновными носителями, равен нулю, и ток через p-n- переход не протекает.

Рис. 4. Схема расположения энергетических уровней в момент соприкосновения полупроводников до установления равновесия.

Рис. 5. Расположение энергетических уровней в области p– n – перехода после установления равновесной контактной разности потенциалов.

Предположим теперь, что к p-n- переходу приложено внешнее поле. В зависимости от знака внешней разности потенциалов высота потенциального барьера будет либо уменьшаться (рис. 6), либо увеличиваться (рис. 7) по сравнению с равновесным, и через p-n- переход будет протекать электрический ток.

64. Влияние температуры на свойства полупроводника и р-п перехода.