Основные результаты
1. При резком изменении типа проводимости в полупроводнике возникает область объемного заряда, называемая р-п переходом.
2. Условием образования р-п перехода является существенное изменение результирующей концентрации примеси на дебаевской длине экранирования (1.6).
3. В области р-п перехода концентрации подвижных носителей заряда пренебрежимо малы по сравнению с концентрациями примесных ионов.
Равновесное состояние р-п перехода
2.1. Энергетическая диаграмма р-п перехода
Для
анализа физических процессов в
полупроводниковых приборах удобно
использовать метод энергетических
диаграмм. Энергетическая диаграмма р-п
перехода в состоянии термодинамического
равновесия представлена на рис.2.1. На
оси ординат отложена энергия электрона
.
Энергия дырок на диаграмме возрастает
в направлении
.
Так как частицы стремятся занять
состояния с минимальной энергией,
электроны на диаграмме имеют тенденцию
«утонуть», а дырки - «всплыть». При
отсутствии вырождения общий для всей
системы уровень Ферми с энергией
расположен внутри запрещенной зоны,
ширина которой
не зависит от координаты.
Уровень
электростатической энергии
,
показанный на рис.2.1 пунктиром,
соответствует положению уровня Ферми
в собственном полупроводнике и расположен
вблизи середины запрещенной зоны.
Очевидно, что расстояния между уровнями
,
и
не зависят от координаты.
Поскольку
групповые скорости электронов с энергией
и дырок с энергией
равны нулю, границы запрещенной зоны
могут рассматриваться как
потенциальные энергии электронов
и дырок
.
При этом электрический потенциал,
соответствующий точке с координатой
,
составляет
,
(2.1)
где
-
,
,
константы, на зависящие от
.
Вместо энергетических диаграмм иногда используется потенциальные диаграммы, в которых по оси ординат отложен электрический потенциал. В соответствии с (2.1) потенциальные диаграммы отличаются от энергетических направлением вертикальной оси и масштабным коэффициентом, равным заряду электрона.
Наклон
уровней
,
и
на энергетической диаграмме пропорционален
напряженности электрического поля
.
Действительно
.
(2.2)
В
электрически нейтральных областях
эмиттера (
)
и базы (
)
поле равно нулю, и уровни
,
и
расположены горизонтально. В области
р-п
перехода (
)
электрическое поле направлено справа
налево (вдоль градиента
),
что находится в полном соответствии с
рис.1.2,б (от «плюса» к «минусу»).
Равновесные
концентрации носителей заряда в
отсутствие вырождения определяются
взаимным расположением уровней
и
:
,
(2.3а)
.
(2.3б)
В
эмиттере р-типа
(
)
фермиевская энергия меньше электростатической
энергии:
,
;
в базе п-типа
(
):
,
.
В
плоскости физического перехода
выполняется условие
.
(2.4)
Ввиду искривления запрещенной зоны в области перехода между эмиттером и базой существует энергетический барьер, высота которого равна разности электростатических энергий в п- и р-областях (ряс.2.1):
.
(2.5)
Соответственно, потенциалы эмиттера и базы отличаются на величину
.
(2.6)
Величина
называется контактной разностью
потенциалов.
Энергетический барьер препятствует диффузионным потокам электронов из базы в эмиттер и дырок - из эмиттера в базу. Величина барьера автоматически становится такой, чтобы точно скомпенсировать диффузионные потоки.