7.3 Структура p-n перехода.
Концентрации примесей и свободных носителей в каждом из слоев перехода показаны на рис 7.1а.
– концентрация
акцепторной примеси;
– концентрация
донорной примеси;
– концентрация дырок в слое;
– концентрация электронов в слое;
– концентрация
электронов в
слое;
– концентрация
дырок в
слое.
Рис. 7.1
Поскольку здесь
концентрация электронов в слое
значительно больше, чем в слое
,
то часть электронов диффундирует из
слоя
в слой
.
При этом в слое
вблизи границы окажутся избыточные
электроны, которые будут рекомбинировать
с дырками до тех пор, пока не будет
выполнено условие равновесия
.
Соответственно в этой области уменьшится
концентрация свободных дырок и "обнажатся"
некомпенсированные отрицательные
заряды акцепторных атомов. Слева от
металлургической границы "обнажатся"
некомпенсированные положительные
заряды ионов доноров, поскольку часть
электронов перешла отсюда в слой
(рис 7.1б). Аналогичные рассуждения
действительны для дырок слоя
,
которые частично диффундируют в слой
.
Однако в несимметричном переходе, в
котором
,
диффузия дырок в слой
малосущественна, поскольку разность
концентраций
значительно меньше разницы
,
а именно этими разностями определяются
градиенты концентраций и диффузионные
токи.
Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область перехода. Часто эту область называют обедненным слоем, имея в виду резко пониженную концентрацию подвижных носителей в обеих ее частях.
В большинстве случаев p-n - переход можно идеализировать так, как показано на рис. 7.1в.
Рис.7.2
Переход в целом
нейтрален, т.е. положительный заряд в
левой части и отрицательный заряд в
правой части одинаковы. При этом условии
различие в концентрациях акцепторной
и донорной примесей неизбежно связано
с различием в протяженности обоих
зарядов: в слое с меньшей концентрацией
примеси (в нашем случае в
слое),
область объемного заряда должна быть
шире. Следовательно, несимметричный
переход в основном сосредоточен в
высокоомном слое.
Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле, которое направлено так, что оно ограничивает диффузию носителей. В равновесном состоянии диффузионные потоки носителей, обусловленные градиентами концентраций, в любой точке равны дрейфовым потокам тех же носителей, обусловленных градиентом потенциала и направленных навстречу диффузионным потокам.
Рассмотрим
переход с точки зрения зонной теории.
В отсутствие контакта совокупность
и
–слоев
характеризуется диаграммой на рис 7.2а.
При наличии контакта
уровень Ферми должен быть единым, а это
приводит к неизбежному искривлению
зон, различию электростатических
потенциалов
и
и образованию потенциального барьера
(рис 7.2б). При этом основная масса
электронов
-
слоя диффундирует слева направо в
область перехода, но не может преодолеть
потенциальный барьер и, проникнув в
переход на некоторую глубину, "отражается"
и возвращается в
-слой
(рис. 7.2в). Дырки
-слоя
независимо от энергии беспрепятственно
"всплывают" в
слой
и образуют поток слева направо. Этот
поток уравновешивается встречным
потоком достаточно энергичных дырок
слоя,
способных преодолеть барьер. Аналогичная
ситуация имеет место по отношению к
электронам: электроны
слоя
свободно "скатываются" в
слой.
Этот поток уравновешивается потоком
наиболее энергичных электронов
слоя.
Основная масса дырок этого слоя,
"пытающаяся" диффундировать в
слой,
отражается потенциальным барьером
(рис.7.2в). Глубина проникновения отражаемых
носителей в переходе тем больше, чем
выше их энергия.
В области перехода на рис. 7.2б показаны ионизированные атомы доноров слева и акцепторов справа. Как известно, уровни этих ионов расположены вдоль всего соответствующего слоя, но на рис.7.2б они показаны только в пределах перехода, чтобы подчеркнуть, что заряд ионов на этих участках не скомпенсирован. Действительно, расстояние между дном зоны проводимости и уровнем Ферми увеличивается вправо, а значит, на участке p-n перехода быстро убывает вероятность заполнения этой зоны электронами и концентрация электронов резко падает. Аналогично обстоит дело и по отношению к акцепторным ионам. Очевидно, что ионы, показанные на рис. 7.2б соответствуют ионам, образующим пространственный заряд на рис. 7.1.
Высота потенциального перехода в равновесном состоянии определяется как разность электростатических потенциалов в n-и p-слоях и равна
(7.1)
где
- температурный потенциал ( K
– постоянная Больцмана, q-
заряд электрона).
Ширина обедненного слоя в n-и p-областях неодинакова, и односторонний переход практически целиком расположен в слое с меньшей концентрацией примеси. Для ширина p-n перехода для равновесного состояния определяется как
.
(7.2)