1.2. Структура р-п перехода

Наиболее просто поддаются анализу ступенчатые р-п перехода. Структура ступенчатого перехода представлена на рис. 1.2. Практически концентрации примеси в р- и п-областях намного превышают собственную концентрацию носителей заряда .

Для определенности будем полагать, что эмиттером является р-область, а базой - п-область. В большинстве практических случаев выполняется неравенство

, (1.7)

где ,- результирующие концентрации примеси в эмиттере и базе.

Рис. 1.2 соответствует кремниевому переходу (≈10¹⁰ см^-3 при комнатной температуре Т= 290 К) с концентрациями примеси =10¹⁸см^-3, =10¹⁶см^-3.

В глубине эмиттера и базы концентрация основных носителей заряда практически совпадают с результирующими концентрациями примеси:

,

, (1.8)

а концентрации неосновных носителей определяются законом действующих масс:

, (1.9а)

. (1.9б)

Здесь и ниже индексы «р» и «п» соответствуют р- и п-областям, а индекс «0» состоянию термодинамического равновесия. Заметим, что концентрация неосновных носителей в базе больше, чем в эмиттере (а при - много больше).

На рис.1.2,а распределение примеси и носителей заряда представлено в полулогарифмическом масштабе, так как в линейном масштабе изобразить концентрации неосновных носителей невозможно. Переход занимает область . Разумеется, границы перехода и определены в некоторой степени условно, так как концентрации основных носителей изменяются плавно. Однако из рисунка видно, что уже на небольшом расстоянии от границ внутри выполняются неравенства:

,

, (1.10)

Неравенства (1.10) выполнены во всем р-п переходе.

На рис.1.2,б распределения концентрации примесей и носителей заряда изображены в линейном масштабе. Из рисунка видно, что в эмиттерной области перехода () концентрация подвижных носителей пренебрежимо мала по сравнению с концентрацией примеси. Эта область имеет отрицательный объемный заряд, плотность которого не зависит от координаты:

. (1.11а)

В базовой области перехода () плотность объемного заряда положительна:

. (1.11б)

Физическая причина объемного заряда заключается в том, что под действием градиента концентрации дырки и электроны диффундируют из эмиттера в базу и из базы в эмиттер соответственно, оставляя в р-п переходе оголенные примесные ионы. Процесс диффузии продолжается до тех пор, пока не уравновесится возникающим электрическим полем.

На рис.1.2,а видно, что в некоторой плоскости концентрации электронов и дырок одинаковы:

(1.12)

Эта плоскость называется плоскостью физического переход в отличии от плоскости металлургического (или технологического) перехода , где результирующая концентрация примеси равна нулю. В симметричных переходах плоскости физического и металлургического переходов совпадают. Заметим, что физический и металлургический переходы являются плоскостями, в то время как собственно р-п переход - пространственная область конечного объема.