1 Структура p-n-перехода

Переходной слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет проводимость p-типа, а другая – n-типа, называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

Комбинация двух полупроводниковых слоев с разным типом проводимости (рис. 3.1,а) обладает выпрямляющими или вентильными свойствами: она гораздо лучше пропускает в одном направлении, чем в другом.

Полярность напряжения, соответствующая большим токам, называется прямой, а меньшим — обратной. Обычно пользуются терминами прямое и обратное напряжение, прямой и обратный ток.

Рис. 3.1. Полупроводниковый диод

а – упрощенная структура; б – условное обозначение

Поверхность, по которой контактируют слои р и n, называется металлургической границей, а прилегающая к ней область объемных зарядов — электронно-дырочным переходом или р-n-переходом.

Выпрямительные свойства рассматриваемой структуры позволяют использовать ее в качестве полупроводникового диода. На рис. 3.1,б показаны символическое обозначение диода, направление прямого тока и полярность прямого напряжения.

Два других (внешних) контакта в диоде — невыпрямляющие, поэтому их называют омическими.

Структура р-n-перехода. Электронно-дырочные переходы классифицируют по резкости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев.

Ступенчатыми переходами называют переходы с идеальной границей, по одну сторону которой находятся доноры с постоянной концентрацией N_д, а по другую — акцепторы с постоянной концентрацией N_а. Такие переходы наиболее просты для анализа.

Плавными переходами называют такие, у которых в районе металлургической границы концентрация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа — растет. Сама металлургическая граница в этом случае соответствует равенству примесных концентраций (N_д = N_а).

По соотношению концентраций примесей в p- и n-слоях переходы делят на симметричные, несимметричные и односторонние.

Симметричные переходы характерны условием N_дn ≈ N_ap, где N_дn и N_ap — концентрации примесей в соответствующих слоях.

Рис.3.2. Электрическая структура p-n перехода:

а – начальное состояние слоев; б – объемные заряды в реальном переходе; в – объемные заряды в идеализированном переходе

Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники.

В случае резкой асимметрии, когда концентрации примесей (а значит, и основных носителей) различаются на 1–2 порядка и более, переходы называют односторонними и обозначают символами n⁺–р или p⁺–n, где верхний индекс «+» соответствует слою со значительно большей концентрацией.

На рис. 3.2 показана электрическая структура p-n-перехода. Для наглядности разница в концентрациях основных носителей n_n0 и р_p0 принята меньшей, чем это имеет место в действительности.

2 Равновесное состояние p-n-перехода

Рассмотрим полупроводник, одна часть которого имеет проводимость p-типа, а другая - n-типа, рис.3.3. Будем считать, что концентрации акцепторной и донорной примесей равны (такой переход называется симметричным). В p-области концентрация дырок, как основных носителей, выше, чем в n-области. Аналогично концентрация электронов в n-области выше, чем в p-области.

Такое распределение концентрации одноименных носителей заряда в кристалле вызывает диффузию дырок из p-области в n-область, а электронов - из n-области в p-область (т.е. возникает диффузионный ток через границу раздела областей).

Общий диффузионный ток направлен сторону движения дырок и равен сумме электронного и дырочного токов:

(3.1)

В результате в прилегающей к границе p-области возникает нескомпенсированный заряд отрицательных ионов акцептора, а со стороны n-области – положительных ионов донора.

Диффузия основных носителей приводит к образованию на границе n- и p-областей объемного заряда в виде двойного электрического слоя, образованного ионами акцептора и донора.

Электроны и дырки же при переходе в другую область быстро рекомбинируют с основными носителями.

Двойной электрический слой обеднен подвижными носителями заряда и поэтому обладает повышенным сопротивлением (его еще называют запорным слоем).

Рис. 3.3. Равновесное состояние p-n перехода

Заряд отрицательных ионов акцептора понижает потенциал p-области до значения _p, а положительных донора – повышает потенциал n-области до +_n. Изменение потенциала от _p до +_n происходит только в пределах ширины запорного слоя .

Разность потенциалов:

_k = +_n – (_p) = _n + _p (3.2)

называется диффузионным потенциалом или контактной разностью потенциалов.

Между зарядами запорного слоя возникает контактное (внутреннее) или диффузионное электрическое поле напряженностью:

E_i = _k/, (3.3)

направленное от положительных зарядов к отрицательным.

Поле E_i является тормозящим для основных носителей заряда. По этой причине не происходит полного выравнивания концентраций носителей в p- и n-областях.

Возникающий на границе раздела p- и n-областей запорный слой с присущим ему потенциальным барьером

W_б =e^._k (3.4)

по существу и является p-n переходом.

Для неосновных носителей поле E_i является ускоряющим. Они, попадая в пределы этого поля, свободно переходят в противоположные области, образуя ток дрейфа, направленный навстречу диффузионному. Этот процесс называется экстракцией носителей.

Плотность дрейфового тока

.

(3.5)

где - подвижности.

В конечном итоге наступает динамическое равновесие

I_p-n = I_диф + I_др = 0. (3.6)