2. Электронно-дырочный переход и его свойства

О

Рис. 2.1. Электрическое поле в области p-n перехода

бласть внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности (р иn-типа) называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом. Электронно-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т.е. имеет нелинейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диодов, транзисторов) основана на использовании свойств одного или нескольких p-n переходов. Рассмотрим картину образования p-n перехода. При этом для простоты будем считать, что p-n переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников p- и n- типов и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р - типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов N_a равна концентрации свободных дырок р_р , а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров N_d равна концентрации свободных электронов n_n . Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей. При создании p-n перехода (упрощенно – при соприкосновении областей p- и n- типов) равенство между количеством ионов и свободных носителей заряда нарушается. Так как между областями p- и n- типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n - типа и электронов – в область р - типа. Как только дырка покинет область р - типа, в этой области вблизи границы раздела образуется не скомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси. Объемные заряды создают электрическое поле, замедляющее процесс диффузии. Графики распределения потенциала и апряженности поля показаны на рис.2.1.

Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют

p-n переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями p- и n- типов. Часто этот слой называют запирающим..

2.1. Токи в р-n переходе и их характеристики

Перемещение основных носителей заряда через p-n переход в смежные области происходит за счет диффузии против поля p-n перехода. Этот поток носителей является диффузионным током:

I_диф= Ip_p+In_{n ,}

где Ip_p и In_n – токи, образованные соответственно дырками области р и электронами области n. Одновременно с перемещением основных носителей заряда через p-n переход начинается перемещение неосновных носителей (дырок р_n области n и электронов n_p области р) в направлении поля p-n перехода, которое для них является ускоряющим. Поток неосновных носителей является дрейфовым током (током проводимости):

I_др= Ip_n + In_p,

где Ip_n и In_p – токи, образованные соответственно дырками n-области и электронами р-области. В отсутствие внешнего поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей заряда и токи- диффузионный и дрейфовый- оказываются равными по абсолютному значению:

I_диф = I_{др .} Но так как диффузионный и дрейфовый токи направлены в противоположные стороны, то результирующий ток через p-n переход будет равен нулю.