2.2 Свойства несимметричного p-n-перехода

Пусть концентрация дырок в области полупроводника с электропроводностью p-типа намного выше концентрации электронов в области n-типа (p_p>>n_n), т.е. слой р более низкоомный. Тогда часть дырок в результате диффузии перейдет в n-область, где вблизи границы окажутся избыточные дырки, которые будут рекомбинировать с электронами. Соответственно в этой зоне уменьшится концентрация свободных электронов, и образуются области нескомпенсированных положительных ионов донорных примесей. В p-области уход дырок из граничного слоя способствует образованию областей с нескомпенсированными отрицательными зарядами акцепторных примесей, созданными ионами (рисунок12а).

Рисунок 12 – Несимметричный p-n-переход

а – структура p-n-перехода («+» и «–» в кружочках – ионы, («+» и «–» без кружочков – дырки и электроны;

б – распределение потенциала

Подобным образом происходит диффузионное перемещение электронов из n слоя в р слой. Однако в связи с малой концентрацией электронов по сравнению с концентрацией дырок перемещением основных носителей заряда высокоомной области можно пренебречь. Перемещение происходит до тех пор, пока уровни Ферми обоих слоев не уравняются.

Область образовавшихся неподвижных пространственных зарядов (ионов) и есть область p-n-перехода. В ней имеют место пониженная концентрация основных носителей заряда, и следовательно, повышенное сопротивление, которое определяет электрическое сопротивление всей системы.

В зонах, прилегающих к месту контакта двух разнородных областей, нарушается условие электронейтральности. В p-области остается нескомпенсированный заряд отрицательно заряженных акцепторных примесей, а в n-области положительно заряженных доноров (рисунок 12б). Но за пределами p-n-перехода все заряды взаимно компенсируют друг друга, и полупроводник остается электрические нейтральным.

Электрическое поле, возникающее между разноименными ионами, препятствует перемещению основных носителей заряда. Поэтому поток дырок из области р в область n и электронов из n в р уменьшается с ростом напряженности электрического поля. Однако это поле не препятствует движению через переход неосновных носителей имеющихся в р и n областях. Эти носители заряда собственной электропроводности, имеющие энергию теплового происхождения, генерируются в объеме полупроводника и диффундируя к электрическому переходу, захватываются электрическим полем. Они перебрасываются в область с противоположной электропроводностью.

Переход неосновных носителей неосновных носителей приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие имеет место дополнительный диффузионный переход основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение. При равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и соответственно токов, наступает динамическое равновесие.

Таким образом, через р-n-переход в равновесном состоянии (без приложения внешнего потенциала) движутся два встречно направленных потока зарядов, находящихся в динамическом равновесии и взаимно компенсирующих друг друга.

Суммарная плотность тока будет равна нулю:

J = J_диф + J_др = 0,

где J_диф – диффузионная плотность тока,

J_др – дрейфовая плотность тока.

Движение под влиянием градиента концентрации называется диффузией.

J_диф = J_{р диф} + J_{n диф} =q(D_n dn/dx – D_p dp/dx),

где D_n, D_p – коэффициенты диффузии для электронов и дырок.

Движение носителей заряда, вызванное наличием электрического поля и градиента потенциала называется дрейфом.

Если в полупроводнике создать электрическое поле напряженностью Е, то хаотическое движение носителей заряда упорядочится, т.е. дырки и электроны начнут двигаться во взаимно противоположных направлениях, причем дырки в направлении, совпадающем с направлением электрического поля. Возникнут два встречно направленных потока носителей заряда, создающих токи, плотность которых равны:

J_{р др} = qpµ_pE,

J_{n др} = qnµ_nE,

где q – заряд электрона,

n, р – число электронов и дырок в единице объема вещества,

µ_n, µ_p – подвижность носителей заряда.

Тогда

J _др = J_{n др} + J_{р др} = (qnµ_n + qpµ_p) E.

Ионы в p-n-переходе создают разность потенциалов U_к , которую называют потенциальным барьером или контактной разностью потенциалов.

Значение разности потенциалов определяется положениями уровней Ферми в областях n и р:

U_к = φ_Fn - φ_Fp.

Для рассмотренного полупроводника ее можно найти:

U_к = φ_Т ln (n_n0 p_p0 /n_i²),

где n_n0, p_p0 – концентрация основных носителей заряда в равновесном состоянии в областях n и р.

Учитывая, что в равновесном полупроводнике при данной температуре:

n_i² = n_р0 p_p0 = n_n0 p_n0,

выражение для контактной разности потенциалов можно записать в виде:

U_к = φ_Т ln (n_n0 /n_p0) ≈ φ_Т ln (N_a N_д /n_i²).

Ширина р-n- перехода равна:

,

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника,

ε₀ –диэлектрическая постоянная воздуха.

С увеличением концентраций примесей ширина перехода уменьшается. Небольшой рост U_к при этом можно не принимать во внимание, т.к. зависимость U_к от концентрации примесей имеет логарифмический характер, т.е. значительно более медленный характер.

При изменении температуры ширина перехода изменяется так же, как и контактная разность потенциалов.