2.2. Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) находится на границе между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную (n), а другая – дырочную (p) электрические проводимости, то есть соответственно n- или p-области. Однако его нельзя создать простым соприкосновением полупроводниковых пластин n- или p-типов, так как при этом неизбежен промежуточный слой воздуха, оксидов или поверхностных загрязнений. Переход создается в кристалле полупроводника с помощью технологических процессов (например, сплавления, диффузии), в результате которых граница раздела между областями p- и n-типов находится внутри полупроводникового монокристалла. Классическим примером p‑n перехода являются: nSi – pSi, nGe – pGe.

Различают симметричные и несимметричные p-n-переходы. В симметричных переходах концентрация электронов в полупроводнике n-типа n_n и концентрация дырок в полупроводнике p-типа p_p равны, то есть n_n = p_n. Другими словами, концентрации основных носителей зарядов по обе стороны симметричного p-n-перехода, равны. На практике используются, как правило, несимметричные переходы, в которых концентрация, например, электронов в полупроводнике n-типа больше концентрации дырок в полупроводнике p-типа, то есть n_n > p_p, при этом различие в концентрациях может составлять 100 - 1000 раз. Низкоомная область, сильно легированная примесями (например, n-область в случае n_n > p_p), называется эмиттером; высокоомная, слаболегированная (p-область в случае перехода n_n > p_p), - базой. Для случая, когда концентрации электронов в полупроводнике n-типа больше концентрации электронов в полупроводнике n-типа, то есть p_p > n_n, эмиттером будет p-область, а базой ‑ n-область.

В зависимости от характера примесей, обеспечивающих требуемый тип электропроводности в областях, различают два типа переходов: резкий (ступенчатый) и плавный (линейный). В резком переходе концентрация примесей на границе раздела областей изменится на расстоянии, соизмеримом с диффузионной длиной, в плавном – на расстоянии, значительно большем диффузионной длины. Лучшим выпрямительными (вентильными) свойствами обладают резкие p-n-переходы. Резкий p-n-переход образуется при сплавлении, плавный – получается методом диффузии или методом выращивания из расплава.

В зависимости от площади p-n-переходы разделяются на точечные и плоскостные. Точечные p-n-переходы образуются точечно-контактным способом. Плоскостные переходы в зависимости от метода их изготовления бывают сплавными, диффузионными, эпитаксиальными и т.п.

2.2.1. р-n-переход в состоянии термодинамического

Равновесия

В полупроводнике с областями р- и п-типов, образующих переход можно выделить следующие пространственные области (рис. 2.1): 1 – металлургический переход (контакт) – воображаемая плоскость, разделяющая р- и п- области; 2 – область перехода или область пространственного заряда (ОПЗ) или обедненная область, располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10^-6 до 10^-4 см (в зависимости от технологии производства); 3 –нейтральные р- и п-области, лежащие между областью пространственного и границами полупроводников р- и п-типов; 4 – омические контакты, которыми оканчиваются нейтральные области.

Рис. 2.1. Cхематическое изображение идеального p-n-перехода

На рис. 2.2 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную электропроводность, а другая – электронную. До установления термодинамического равновесия между p- и n-областями и в отсутствии внешнего электрического поля в таком переходе протекают следующие физические процессы. Поскольку концентрация дырок в p-области гораздо выше их концентрации в n-области, то дырки из p-области диффундируют в n-область. Однако, как только дырки попадают в n-область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными носителями зарядов в n-области и их концентрация по мере углубления быстро убывает. Аналогично электроны из n-области диффундируют в p-область. Такое движение зарядов создает диффузионный ток электронов и дырок. Плотность полного диффузионного тока, проходящего через границу раздела, определится суммой

.

Рис. 2.2. Идеальный плоскостной p-n-переход: а - отдельные p- и n-полупроводники; б - схематическое изображение

идеального плоскостного p-n-перехода; в - распределение плотности объемных зарядов; г - распределение потенциала;

д - распределение электронов проводимости и дырок;

+, – - ионы; «+», «–» - дырки и электроны

Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к появлению в n-области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p-области – отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанной с кристаллической решеткой полупроводника (рис. 2.2, б).

Распределение объемной плотности указанных зарядов ρ_об показано на рис. 2.2, в. Таким образом, на границе областей образуются два слоя зарядов, равных по величине, но противоположных по знаку. Положительный заряд обусловлен ионизованными донорами, отрицательный заряд – ионизованными акцепторами. Образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Образовавшаяся область пространственных зарядов и представляет собой p-n-переход. Его ширина обычно равна d_p-n = 10^-3 - 10^-4 мм. Объемные (пространственные) заряды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам, то есть от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем. Этому полю соответствует контактная разность потенциалов U_к = φ_о, зависящая от материала и уровня легирования. Например, U_к для германиевых p-n-переходов составляет (0,3 - 0,4) В, а для кремниевых (0,7 - 0,8) В. Так как электрическое поле неподвижных зарядов p-n-перехода при термодинамическом равновесном состоянии препятствует диффузии основных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что между p- и n-областями устанавливается потенциальный барьер, φ_о, распределение потенциала которого вдоль структуры p-n-перехода показано на рис. 2.2, г.

Основные носители заряда при встречной диффузии рекомбинируют в приконтактных областях p-n-перехода, что приводит к образованию в этом месте обедненного подвижными носителями заряда слоя, который обладает малой удельной проводимостью (как беспримесный или собственный полупроводник) и поэтому называется обедненным или запирающим слоем х₃ (рис. 2.2, д).

Диффузионное электрическое поле является тормозящим для основных и ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны р-области и дырки п-области, то есть неосновные носители, совершая тепловое, движение попадают в пределы диффузионного электрического поля, увлекаются им и перебрасываются в противоположные области образую ток дрейфа. Выведение носителей заряда из области полупроводника, где они являются неосновными, через электронно-дырочный переход, ускоряющим электрическим полем называется экстракцией. То есть в поле напряженностью Е₀ возникают дрейфовые токи электронов и дырок

.

Движение зарядов прекращаются, когда наступает динамическое равновесие и токи через переход уравниваются . Дрейфовые токи направлены навстречу диффузионным и равны им. При отсутствии внешнего поля результирующий ток через р-п-переход для каждого типа носителей равен нулю.

На рис. 2.3 приведены зонные диаграммы, иллюстрирующие этапы формирования электронно‑дырочного перехода.

Рис. 2.3. Схема, иллюстрирующая образование

p-n-перехода

Граница областей донорной и акцепторной примеси в полупроводнике получила название металлургического p-n-перехода. Границу, где уровень Ферми пересекает середину запрещенной зоны, называют физическим p-n-переходом.

Энергетическая диаграмма p-n-перехода в состоянии равновесия строится, начиная с уровня Ферми, единого для всей системы (рис. 2.4). В каждой области положение энергетических уровней не изменяется, поэтому после «соприкосновения» полупроводников p- и n-типа, когда уровень Ферми оказывается общим, энергетические зоны изгибаются в области перехода.