Диаграмма1

Диаграмма 2

Диаграмма 3

Рис. 2. Диаграммы, поясняющие процесс образования p-n перехода

Итак,электронно-дырочныйилиp-n переход- это тонкий слой полупроводника, возникающий на границе раздела двух полупроводников с разным типом проводимости, который обеднен подвижными носителями тока и обладает высоким сопротивлением.

Диаграмма 4

Диаграмма 5

Рис.2. (окончание) Диаграммы, поясняющие процесс образования p-n перехода

Ширина p-n перехода может быть найдена при интегрировании уравнения Пуассона, которое определяет распределение напряженности электрического поля E(x) и потенциала (x). При этом получают:

где - диэлектрическая проницаемость полупроводника;_о- диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная);e– заряд электрона;_К- контактная разность потенциалов; Nа - концентрация акцепторов; Nд - концентрация доноров.

Так как Nа>>Nд, то l_p<<l_n, и приближенно можно записать

Распределение напряженности электрического поля и потенциала в p-n переходе (диаграммы 4 и 5 рис. 2) получают из решения уравнения Пуассона.

При увеличении концентрации примеси возрастает максимальное значение напряженности электрического поля в p-n переходе. Электрическое поле препятствует переходу основных носителей заряда через p-n переход. При контакте двух полупроводников возникает потенциальный барьери распределение потенциала вдоль p-n перехода показано на диаграмме 5 рис. 2.(x)также получается путем двойного интегрирования уравнения Пуассона. Причем функция(x) состоит из двух параболических участков, поскольку она получена интегрированием кусочно-линейной функцииE(x)и имеет точку перегиба приx=0. Высота потенциального барьера в равновесном состоянии равнаконтактной разности потенциалов _к:

, так какp_p=n_i+NаNа, Nа>>n_{i (} n_i=p_{i ! )}.

Контактная разность потенциалов зависит от температуры окружающей среды. С увеличением температуры контактная разность потенциалов уменьшается. Это связано с тем, что в выражении для _к с увеличением температуры окружающей среды возрастает значение температурного потенциала _Т, но также возрастает и это увеличение происходит быстрее, чем рост температурного потенциала, поэтомуконтактная разность потенциалов при увеличении температуры уменьшается.

2.2. Энергетическая диаграмма p-n перехода в равновесномсостоянии

Вусловиях равновесия p-n перехода, когда отсутствует внешнее напряжение,энергия Ферми одинакова для любого объема полупроводника, что приводит к горизонтальности положения уровня Ферми на энергетической диаграмме, представленной на рис.3.

Рис. 3. Энергетическая диаграмма p-nперехода в равновесном состоянии

На рис. 3 обозначено:

, - основные носители заряда; - неосновные носители заряда; Wп - энергетический уровень дна зоны проводимости; W_F- энергетический уровень Ферми; Wср - энергетический уровень середины запрещенной зоны; Wв - энергетический уровень потолка валентной зоны;Wз - энергия, соответствующая ширине запрещенной зоны. Уровень Ферми в полупроводнике p-типа расположен вблизи энергетического уровня потолка валентной зоны, а в полупроводнике n-типа - вблизи энергетического уровня дна зоны проводимости, причем уровень Ферми ближе расположен к энергетическому уровню потолка валентной зоны, чем к энергетическому уровню дна зоны проводимости, из-за того, что Nа>>Nд. У изолированных p- и n-областей энергии Ферми неравны, поэтому при объединении областей в единый кристалл полупроводника на основании фундаментального свойства уровня Ферми (gradW_F=0) происходит смещение энергетических уровней n-области относительно энергетических уровней p-области, как и показано на рис. 3. В результате смещения энергетических уровней создается энергетический (потенциальный) барьер величиной

e_к=W_Fn– W_Fp.

Основные носители заряда областей полупроводника p- и n-типов, энергия которых больше высоты барьера, диффузионно преодолевают его. Основные носители заряда, переходящие p-n переход в тормозящем для них электрическом поле, образуют диффузионную составляющую тока перехода i_D. В то же время неосновные носители заряда, находящиеся вблизи p-n перехода и совершающие тепловое хаотическое движение, попадают под действие электрического поля p-n перехода, увлекаются им и переносятся в противоположную область: электроны p-области в n-область; дырки n-области в p-область. Неосновные носители заряда, переходящие переход под действием напряженности электрического поля Eк p-n перехода, образуют дрейфовую составляющую токаi_Eчерез переход. Условие равновесия выполняется, когда диффузионный токi_Dбудет компенсирован встречным дрейфовым токомi_Eи полный ток через переход будет равен нулю:.