§ 7.1. Утворення р-п-переходів
Розглянемо фізичні процеси, що протікають на контакті двох напівпровідникових матеріалів, що володіють різними типами електропровідності. До входження в контакт оба напівпровідникових матеріалу електрично нейтральні: у напівпровіднику п-типа заряд основних носіїв – електронів – компенсується зарядом іонізованих донорів, а в напівпровіднику р-типа заряд дірок – зарядом іонізованих акцепторів. У випадку контакту напівпровідників, на межі виявляється великий перепад концентрацій електронів і дірок, що викликає виникнення дифузійних потоків основних носіїв заряду: електронів з напівпровідника n-типу в напівпровідника р-типа й дірок у зустрічному напрямку. Носії заряду, що дифундують, створюють дифузійні струми. Дифузія носіїв заряду приводить до порушення електричної нейтральності напівпровідників. У приконтактній області електронного напівпровідника залишається нескомпенсований позитивний заряд донорів, а в дірковому напівпровіднику - нескомпенсований негативний заряд акцепторів. Між цими об'ємними зарядами виникає електричне поле, що перешкоджає дифузії основних носіїв заряду - виникає потенціальний бар'єр. Для переходу межі напівпровідників основні носії заряду повинні мати енергію, достатнью для подолання сил електричного поля. В міру росту нескомпенсованих зарядів донорів й акцепторів потенціальний бар'єр збільшується й основним носіям стає все важче його переборювати, тому дифузійні потоки електронів і дірок зменшуються.
Неосновні носії заряду, здійснюючи тепловий рух, можуть потрапити в область дії електричного поля, яка утворилося, що підхоплює їх і переносить через межу в сусідній напівпровідника. Неосновні носії заряду створюють потоки носіїв, спрямовані назустріч дифузійним. Струми неосновних носіїв називають дрейфовими, тому що вони обумовлені дією електричного поля. В міру наростання напруженості електричного поля, потоки неосновних носіїв будуть рости. Стан термодинамічної рівноваги в перехідній області наступе тоді, коли потоки неосновних носіїв заряду зрівноважать потоки основних.
В загальному випадку можна сказати, що через межу напівпровідників проходять чотири струми: два дифузійних струми основних носіїв і два дрейфових струми неосновних носіїв заряду. У стані рівноваги сума струмів, що проходять через перехід, дорівнює нулю.
В стані термодинамічної рівноваги рівень Фермі в обох напівпровідниках проходить на одній висоті (рисунок 7.1), що веде до викривлення енергетичних зон й утворення потенціального бар'єра. Електрону, що перебуває на дні зони провідності напівпровідника n-типу, для переходу в напівпровідника р-типа потрібно подолати потенціальний бар'єр ∆φ, у той час як електрони, що перебувають у зоні провідності напівпровідника р-типа, вільно «скачуються» у напівпровідник n-типу.
Рисунок 7.1 - Утворення р-п-перехода
Рисунок 7.2 - Графіки розподілу для різкого симетричного р-п-перехода: а – концентрації носіїв зарядів; б – об'ємних зарядів; в - потенціалу; г – напруженості поля в перехіді
Перехідний шар між двома областями напівпровідника, одна з яких має електропровідність п-типа, а інша – р-типа, називають електронно-дірковим перехідом або р-п-перехідом. Довжина його при відсутності зовнішнього зсуву звичайно становить десяті частки мікрометра. Область р-п-перехода збіднена основними носіями заряду й має високий питомий опір. Щоб р-п-перехід був електрично нейтральний, нескомпенсовані заряди донорів й акцепторів повинні бути однакові. Як видно з рисунок 7.2 а, в р-п-переході є електрони й дірки, але заряди, внесені ними, порівняно малі в порівнянні із зарядами донорів й акцепторів, тому можна вважати, що просторовий заряд переходу утворений іонами домішок. Максимальний по величині заряд розташовується на межі напівпровідників і поблизу її, а за межами переходу заряд буде дорівнює нулю (рисунок 7.2, б).
Перехід від області позитивного об'ємного заряду до області негативного визначає зміна контактної різниці потенціалів. За початок відліку контактної різниці потенціалів може бути прийнята будь-яка границя області просторового заряду р-п-перехода, тоді на протилежній межі контактна різниця потенціалів буде максимальна (рисунок 7.2, в). Величину контактної різниці потенціалів визначають по формулі
Максимальна напруженість електричного поля буде там, де відбувається стрибкоподібна зміна густини й знака об'ємних зарядів (рисунок 7.2, г).