P-n-переход

П

E

U

ринцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на использовании свойствp-n-перехода, образующегося в окрестности металлургической границы раздела p- и n-структур кристалла полупроводника (рис. 1). Области p- и n- типов создаются в результате введения в кристалл полупроводника соответственно трех- (акцепторы) и пятивалентных (доноров) химических элементов.

Обеднённая область

Эмиттер

База

Рис. 1

В полупроводнике n-типа при значениях температуры, близких к 300 К, вероятность того, что пятый валентный электрон атома примеси (донора) становится свободным носителем отрицательного электрического заряда, близка к единице. Поэтому почти все атомы примеси ионизированы в результате потери электрона.

В полупроводнике p-типа при этих же значениях температуры вероятность перехода валентных электронов атомов основного материала кристалла полупроводника к атомам примеси (акцептора) также близка к единице. Эти электроны участвуют в образовании ковалентной связи атомов примеси с атомами кристалла, что приводит к образованию ионов из атомов примеси путём такого захвата электрона. В этом случае образовавшиеся вакансии в ковалентных связях атомов основного материала кристалла могут перемещаться в результате перехода к ним валентных электронов от других ковалентных связей атомов полупроводника. Поэтому эти вакансии рассматриваются как свободные носители электрического заряда положительного знака и называются дырками.

К полупроводниковым приборам, содержащим один p-n-переход, относятся: выпрямительный и импульсный диоды, стабилитрон, туннельный диод, варикап, светодиод, фотодиод и др. Внешние выводы от p- и n-областей в этих приборах называются соответственно анодом (А) и катодом (К).

Область p-n-перехода толщиной образуется вблизи металлургической границы разделаp- и n-областей кристалла в результате диффузии свободных носителей электрического заряда из-за наличия перепада их концентраций в этой области. При этом в пределах p-n-перехода возникает двойной электрический слой нескомпенсированных зарядов ионов атомов примесей, что приводит к появлению в этой области электрического поля, противодействующего процессу указанного диффузионного движения свободных носителей заряда через p-n-переход. Это электрическое поле создает дрейфовое движение свободных носителей заряда через p-n-переход.

В равновесном состоянии (при отсутствии внешнего электрического напряжения между анодом и катодом) обеспечивается равенство встречнонаправленных потоков диффузионного и дрейфового движения свободных носителей заряда через p-n-переход, т.к. в этом режиме ток во внешней цепи отсутствует. Такому равновесному состоянию соответствует некоторое начальное значение толщины ()p-n-перехода.

Электрическое поле p-n-перехода, создаваемое неподвижными ионами примесей, является для свободных носителей электрического заряда потенциальным барьером, высота которого равна значению перепада электрического потенциала в пределах толщины p-n-перехода.

Для резкого p-n-перехода, когда на металлургической границе раздела p- и n-структур концентрация атомов примесей меняется скачкообразно от уровня (N_a) концентрации атомов акцептора в p-структуре до уровня (N_д) концентрации атомов донора в n-структуре, высота потенциального барьера (контактная разность потенциалов) определяется формулой

, (1)

где и(и) – концентрации дырок (электронов) в p- и n-структурах кристалла в равновесном состоянии; – тепловой потенциал,;– постоянная Больцмана;– заряд электрона;– абсолютная температура.

Так как в диапазоне рабочих значений температур (T ≈ ≈ 300 K) практически все атомы примесей ионизированы, то при выполнении условия справедливы соотношения

и ,

где и– концентрации электронов и дырок в собственном (беспримесном) полупроводнике.

Для концентраций электронов и дырок в невырожденном полупроводнике справедливо равенство (закон действующих масс):

.

С учётом этого равенства выражение (1) для высоты потенциального барьера принимает вид

.

Обычно разница в значениях концентраций легирующих примесей в p- и n-областях составляет несколько порядков. Такой p-n-переход называется несимметричным. При этом область кристалла с меньшей концентрацией примесей называется базой, а с большей – эмиттером. В дальнейшем предполагаем, что , т.е.p-область будет являться эмиттером.

Толщина p-n-перехода определяется формулой

, (2)

где – относительная диэлектрическая проницаемость материала кристалла;– приложенное кp-n-переходу внешнее напряжение. Если пренебречь падением напряжения в p- и n-областях, то , гдеи− потенциалы анода и катода полупроводникового прибора.

Численное значение концентрации свободных носителей заряда в области p-n-перехода близко к уровню их концентрации в собственном полупроводнике. Поэтому эту область p-n-структуры называют обеднённым слоем (бедный свободными носителями электрического заряда). Другое название области p-n-перехода – область объёмного заряда (ООЗ) ионов акцепторных и донорных примесей.