2.2. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (p–n-переход) лежит в основе действия большинства полупроводниковых приборов. Этот переход образуется в области контакта полупроводников с электронной и дырочной проводимостью. Основная причина широкого использования р–n-перехода это его вентильные свойства.

Двухслойная p–n-структура (рис. 2.4,а) создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси. В р–n-структуре на границе раздела слоев возникает разность концентраций одноименных носителей заряда: в одном слое они являются основными, в другом неосновными. Из-за наличия градиента концентрации электроны из области n диффундируют в область р. В исходном состоянии число свободных электронов в области n было равно числу ионизированных донорных атомов. Переход электронов в область р приводит к нарушению этого равенства. В прилегающем к границе слое электронного полупроводника возникает не скомпенсированный положительный заряд ионов. По другую сторону границы происходит рекомбинация дырок с пришедшими из n-области электронами. В итоге, количество дырок оказывается меньше количества ионизированных акцепторных атомов. В прилегающем к границе слое дырочного полупроводника возникает не скомпенсированный отрицательный заряд.

Одновременно с диффузией электронов из области n происходит диффузия дырок в противоположном направлении. Переход дырок в область n также приводит к увеличению отрицательного заряда ионов слева от границы. Рекомбинация перешедших в область n дырок с электронами аналогично приводит к увеличению положительного заряда ионов справа от границы. Электрическое поле, возникающее в области раздела таково, что оно препятствует выравниванию концентраций одноименных носителей в слоях р и n. При некоторой напряженности поля наступает равновесие, при котором диффузионные потоки носителей заряда в любой точке равны дрейфовым потокам тех же носителей заряда, обусловленным градиентом потенциала, и направлены им навстречу. Область пространственных зарядов (объемный заряд) и есть р–n-переход.

Электронно-дырочный переход имеет резко пониженную концентрацию подвижных носителей заряда в обеих его частях (рис. 2.4,б). Электрическая нейтральность системы должна сохраниться, и

поэтому суммарный заряд в переходе равен нулю. Другими словами можно сказать, что отрицательный заряд в левой части перехода равен положительному заряду правой части. Эти заряды принадлежат неподвижным ионам примесных атомов и ширина перехода в слоях р и n зависит от концентрации донорной и акцепторной примеси. При равенстве концентраций акцепторной ( ) и донорной ( ) примеси ширина перехода по обе стороны границы одинакова. Переход в этом случае называется симметричным. Если значения концентраций примесей существенно различаются, то переход называют несимметричным, и он будет преимущественно сосредоточен в более высокоомной области р–n- структуры, т.е. там, где концентрация примеси понижена.

Зонная диаграмма p–n-перехода в равновесном состоянии приведена на рис. 2.4,в. Поскольку уровень Ферми – уровень равновероятного заполнения, то в равновесном состоянии он единый для всего кристалла.

Удаленные от p–n-перехода объемы полупроводников не испытывают возмущения границы раздела и продолжают описываться характерными для этих полупроводников энергетическими диаграммами. Вследствие этого наблюдается искривление зон и образование потенциального барьера.

Из области n в область р могут диффундировать только те электроны, энергия которых больше или равна энергии дна зоны проводимости области р. Все остальные электроны не могут попасть в область р, так как в ней нет разрешенных уровней с такой низкой энергией. Аналогично, для перехода из области р в область n достаточной энергией должны обладать дырки (энергия дырок возрастает при удалении уровня от потолка валентной зоны).

Таким образом, возникающий на границе р–n-перехода потенциальный барьер препятствует диффузии основных носителей заряда. В то же время поле p–n-перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда, находящихся вблизи перехода.

Анализ p–n-перехода в равновесном состоянии приводит к следующим соотношениям для ширины р–n-перехода и высоты потенциального барьера [1]:

Рис. 2.4

(2.3)

, (2.4)

где; ,

и – ширина перехода в областях р и n;

– тепловой потенциал;

– диэлектрическая проницаемость вакуума;

– относительная диэлектрическая проницаемость;

– заряд электрона.

Если >> , то  и

. (2.5)

Подключение внешнего напряжения к p–n-структуре изменяет высоту потенциального барьера. Если пренебречь падением напряжения на объемном сопротивлении полупроводников, то изменение высоты потенциального барьера должно быть равно величине приложенного напряжения.

Когда включается прямое напряжение (т.е. плюс источника подключен к области p, а минус к области n), высота барьера уменьшается и становиться равной – . При обратном включении высота барьера увеличивается до . Изменение высоты потенциального барьера сопровождается изменением ширины перехода и изменением соотношения граничных концентраций носителей заряда (рис. 2.5 и рис. 2.6).

Если >> , то при прямом включении ( > 0):

. (2.6)

При обратном включении ( < 0), когда >> ,

. (2.7)

Из выражений (2.6) и (2.7) следует, что переход сужается при прямом включении и расширяется при обратном.

Граничные концентрации неосновных носителей при этом следующие:

, (2.8)

, (2.9)

где и – равновесные граничные концентрации.

Если напряжение приложено в прямом направлении, то концентрации и на границах перехода возрастают по сравнению с равновесными. В каждом из слоев появляются избыточные неосновные носители. Уменьшение потенциального барьера облегчает переход основных носителей заряда под действием диффузии через р–n- переход в соседние области, что приводит к увеличению диффузионного тока. Указанное явление называют инжекцией носителей заряда через р–n- переход.

Если напряжение приложено в обратном направлении, то граничные концентрации уменьшаются по сравнению с равновесными значениями.

Такой процесс "отсоса" неосновных носителей называется экстракцией. Возросший потенциальный барьер затрудняет прохождение через p–n-переход основных носителей заряда, вследствие чего диффузионный ток уменьшается. Дрейфовый же ток, обусловленный концентрациями неосновных носителей заряда по обе стороны перехода, можно считать неизменным.

В отсутствие инжекции распределение концентраций носителей заряда (рис. 2.6,б) в прилегающих к p–n-переходу слоях характеризуется уменьшением концентраций неосновных носителей вследствие их ухода через p–n-переход. На границах p-n-перехода для неосновных носителей заряда действует ускоряющее поле p–n-перехода, вследствие чего их концентрация равна нулю.

Снижение потенциального барьера при прямом включении, повышение потенциального барьера при обратном включении р–n-перехода и определяют его вентильные свойства. Эти свойства широко используются в полупроводниковых приборах.

Рис. 2.5

Рис. 2.6