2. Теория р-n перехода

2.1)Структура р-n перехода в состоянии термодинамического равновесия.

С остояние термодинамического равновесия устанавливается при равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда ПОНЗ = ПННЗ, при этом p-n-переход характеризуется следующими параметрами: контактная разность потенциалов _K0  и ширина области пространственного заряда (или ширина p-n-перехода) ₀. Можно показать  ,что:А нализ выражений (2.1) и (2.2) показывает, что параметры перехода зависят от температуры и концентрации легирующей примеси в n и p - областях.Увеличение температуры приводит к уменьшению контактной разности потенциалов _K0 и ширины p-n-перехода ₀. Это, в первую очередь, определяется тем, что, как показано  разд. 1, при высоких температурах уровни Ферми в n- и p-полупроводниках приближаются к середине запрещенной зоны, электропроводность полупроводников стремится к собственной, а, следовательно, p-n-переход исчезает  (_K00, ₀0). В уравнениях  (2.1) и (2.2)  эту зависимость определяет член n_i²(T).При возрастании концентрации легирующих примесей N_D и N_A  контактная разность потенциалов возрастает , а ширина p-n-перехода уменьшается.Встроенное электрическое  поле в p-n- переходе определяется зарядом неподвижных ионов примеси, при этом суммарный заряд структуры равен нулю: Q_D⁺ = Q_A^–, то естьS·q·N_D·_n = S·q·N_A· p ,    где  S - площадь p-n-перехода; n , p - протяженность p-n-перехода соответственно в областях n- и p-типа. Преобразуем (2.3) с учетом N_D>>N_A.

Зонная диаграмма р-n перехода.

Высота потенциального барьера, толщина области р-n перехода.

Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей, так как при ее изменении изменяется уровень Ферми, смещаясь от середины запрещенной зоны к верхней или нижней ее границе. В результате разрывов дна зоны проводимости и потолка валентной зоны высота потенциальных барьеров для электронов и дырок в гетеропереходе оказывается различной. Это является особенностью гетеропереходов, обусловливающей специфические свойства гетеропереходов в отличие p-n-переходов, которые формируются в монокристалле одного полупроводника.Если вблизи границы раздела двух полупроводников, образующих гетеропереход, возникают обедненные основными носителями слои, то основная часть внешнего напряжения, приложенного к структуре с гетеропереходом, будет падать на обедненных слоях. Высота потенциального барьера для основных носителей заряда будет изменяться: уменьшается при полярности внешнего напряжения, противоположной полярности контактной разности потенциалов, и увеличивается при совпадении полярностей внешнего напряжения и контактной разности потенциалов. Таким образом, гетеропереходы могут обладать выпрямляющим свойством.Из-за различия по высоте потенциальных барьеров для электронов (ПБЭ) и дырок (ПБД) прямой ток через гетеропереход связан в основном с движением носителей заряда только одного знака. Поэтому гетеропереходы могут быть как инжектирующими неосновные носителя заряда (рис. 1.26, а), так и неинжектирущими (рис. 1.26, б). Инжекция неосновных носителей заряда происходит всегда из широкозонного в узкозонный полупроводник. В гетеропереходах, образованных полупроводниками одного типа электропрводности, выпрямление происходит без инжекции неосновных носителей заряда.

В ысота потенциального барьера в равновесном состоянии.где    _p, _n – расстояния от уровня Ферми до зоны проводимости в n-области и в p-областиУ большинства германиевых диодов контактная разность потенциалов U_k равна 0,3–0,4 В, у кремниевых U_k=0,7 0,8 В.Если к p-n – переходу приложить внешнее напряжение в запорном направлении, т.е. в направлении, совпадающем с направлением контактной разности потенциалов U_k, то высота потенциального барьера увеличивается на величину q_eU и станет равной q_e(U_к+U) (рис. 4.3).На зонной диаграмме это отражается в том, что уровень Ферми в n-области, присоединенной к положительному полюсу источника тока, снижается по сравнению с уровнем Ферми в p-области на величину q_eU.По мере увеличения потенциального барьера экспоненциально уменьшается концентрация основных носителей заряда, которые способны его преодолеть (см. формулу 4.1). При определенной высоте потенциального барьера диффузионный ток обращается в нуль. Основные носители будут дрейфовать от пограничных областей внутрь проводника. Толщина p-n–перехода и его сопротивление увеличиваются. Через переход будет протекать только ток, обусловленный неосновными носителями (дрейфовый ток), для которых барьера нет (рис. 4.4). Этот ток называется обратным током насыщения p-n–перехода и обозначается I_s (рис. 4.5). Увеличение высоты потенциального барьера не отражается на величине дрейфового тока, а лишь изменяет скорость переноса носителей заряда через переход. Если к p-n–переходу приложено напряжение U в пропускном направлении, то высота потенциального барьера уменьшится на величину q_eU и будет равна q_e(U_к-U) (рис. 4.4, в). При этом уровень Ферми в p-области повышается на величину q_eU по сравнению с уровнем Ферми в n-области. Диффузионный ток возрастает по экспоненциальному закону. Число носителей заряда в приконтактных слоях увеличивается, поэтому уменьшается толщина p-n–перехода и его сопротивление. Таким образом, p-n–переход является нелинейным элементом, так как его сопротивление в одном направлении значительно больше, чем в другом.Теоретический расчет дает следующее выражение вольтамперной характеристики ->>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>