ГЛАВА 2. КОНТАКТ ЭЛЕКТРОННОГО И

ДЫРОЧНОГО ПОЛУПРОВОДНИКОВ

Действие многих полупроводниковых приборов основано на использовании физических процессов, протекающих в области контакта дырочного (р-типа) и электронного (п-типа) полупроводников, называемой р-п-переходом. Проведем подробный анализ электрофизических свойств р-п-перехода.

2.1. Электрическое поле в области p-n-перехода

Рассмотрим случай резкого р-п-перехода, образованного на границе областей полупроводника с дырочной и электронной проводимостью (рис. 2.1а). Предположим, что акцепторная область полупроводника легирована сильнее, чем донорная ( N A > N D ). При возникновении контакта между областями

полупроводника с различным типом проводимости начнется взаимная диффузия основных носителей заряда. Электроны будут переходить из п-области в р-область, а диффузия дырок будет идти в противоположном направлении. В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту (плоскость, где резко меняется тип примесей) частей полупроводника.

В р-области вблизи металлургической границы после диффузии из нее дырок остаются ионизированные акцепторы, отрицательный заряд которых некомпенсирован, а в п-области – ионизированные доноры, имеющие некомпенсированный положительный заряд. Это приводит к образованию области пространственного заряда, состоящей из двух разноименно заряженных слоев.

В области объемного заряда возникает электрическое поле, направленное от п-области к р-области и называемое диффузионным электрическим полем. Под действием этого поля возникает дрейф неосновных носителей заряда, а именно, дырок из п-области в р-область и электронов из р-области в п-область. Обмен носителями заряда между р- и п-областями будет продолжаться до тех пор, пока дрейфовый ток неосновных носителей заряда не сравняется по величине с диффузионным током основных носителей заряда (рис. 2.1б). В результате наступит равновесное состояние, при котором суммарный ток через р-п-переход будет равен нулю.

На рис. 2.1в представлено распределение объемной плотности заряда. Поскольку р-область полупроводника сильнее легирована, чем п-область, то объемная плотность заряда по

модулю в ней больше ( eN A > eN D , в предположении, что

примеси полностью ионизированы), а толщина области объемного заряда меньше( Lp < Ln ), так как суммарный

отрицательный заряд в области р-п-перехода (толщина области L = Lp + Ln ) должен быть равен по модулю суммарному

положительному заряду. Ниже это утверждение будет доказано строго.

Равномерному распределению заряда в каждой из областей р-п-перехода (за исключением очень узких приграничных областей с координатами близкими к − Lp и Ln ) соответствует

линейное изменение напряженности электрического поля с координатой (рис. 2.1г). В этом легко убедиться, если обратиться к теореме Гаусса в дифференциальной форме:

Из (2.4) можно найти диффузионный потенциал или контактную разность потенциалов ϕk областей р- и п-типа, а именно:

Из формулы (2.5) с учетом соотношения (2.3) найдем толщину р-п-перехода L = Lp + Ln . Для этого сначала Lp и Ln

Подставляя (2.6) в формулу (2.5), найдем выражение для толщины р-п-перехода:

Контактная разность потенциалов ϕk возникла вследствие

диффузии электронов и дырок при приведении в соприкосновение полупроводников р- и п-типа, для которых энергия Ферми имела различные значения (рис. 2.2а). В состоянии равновесия энергия Ферми должна быть всюду одинаковой. Отсюда непосредственно следует, что

ϕk = EFp −e EFn ,

где EFp и EFn – энергии Ферми в полупроводниках р- и п-типов

соответственно до приведения полупроводников в соприкосновение.

На рис. 2.2б изображена зонная энергетическая диаграмма р- п-перехода в равновесном состоянии. Видно, что энергетические зоны в области р-п-перехода изгибаются так, что на пути

движения основных носителей заряда (дырок из р-области в п- область, а электронов наоборот) появляется потенциальный барьер, высота которого равна eϕk .

EV

Рис. 2.2. Зонные диаграммы: а – полупроводников р- и п-типов; б, в и г – р-п-перехода (б – равновесное состояние; в – прямое смещение; г – обратное смещение).

При подаче напряжения прямого смещения U на р-п- переход (плюс к р-области) высота потенциального барьера