10) Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Электронно-дырочный переход, или сокращенно p-n-переход, – это тонкий переходный слой в полупроводниковом материале на границе между двумя областями с различными типами электропроводности (одна – n-типа, другая – р-типа). Наряду с p-n-переходами в полупроводниковой технике используются и другие виды электрических переходов, например металл-полупроводник, а также переходы между двумя областями полупроводника одного типа, отличающимися концентрацией примесей, а значит, и значениями удельной проводимости: электронно-электронный (n-n⁺-переход) и дырочно-дырочный(р-р⁺-переход). Электронно-дырочный переход получают в едином кристалле полупроводника, вводя в одну область донорную примесь, а в другую – акцепторную. Для простоты примем концентрации основных носителей заряда в обеих областях одинаковыми:

p_p=n_n,

где p_p – концентрация дырок в р-области; n_n – концентрация электронов в n-области. Такой p-n-переход называют симметричнымВ каждой области кроме основных носителей заряда имеются неосновные носители, концентрация, которых значительно меньше, чем основных:

p_n<<n_nиn_p<<p_p,

где p_n – концентрация дырок вn-области; n_p – концентрация электронов в р-области.Разность концентраций приводит к диффузии основных носителей заряда через границу между двумя областями. Дырки диффундируют из р-области в n-область, а электроны – из n-области в р-область. Диффузия основных носителей заряда через границу раздела p- и n-областей создает ток диффузии в p-n-переходе, равный сумме электронного и дырочного токов:

I_диф = I_p диф + I_n диф.

Уход основных носителей заряда из слоев вблизи границы в соседнюю область оставляет в этих слоях нескомпенсированный неподвижный объемный заряд ионизированных атомов примеси:

• уход электронов – положительный заряд ионов доноров в n-области;

• уход дырок – отрицательный заряд ионов акцепторов в р-области.

В результате образования по обе стороны границы между р- и n-областями неподвижных зарядов противоположных знаков в p-n-переходе создается внутреннее электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда через границу, являясь для них так называемым потенциальным барьером. Потенциальный барьер, уменьшая диффузию основных носителей заряда, в то же время способствует переходу через границу неосновных носителей. Совершая тепловое хаотическое движение, неосновные носители заряда попадают в зону действия электрического поля и переносятся им через p-n-переход. Движение неосновных носителей заряда под действием внутреннего электрического поля создает в p-n-переходе дрейфовый ток, равный сумме электронной и дырочной составляющих:

I_др =I_рдр +I_nдр.

Ток, созданный неосновными носителями заряда, очень мал, так как их количество невелико. Этот ток носит название теплового тока (I_т), поскольку количество неосновных носителей заряда зависит от собственной электропроводности полупроводника, т.е. от разрушения ковалентных связей под действием тепловой энергии. Направление дрейфового тока противоположно диффузионному.При отсутствии внешнего напряжения устанавливается динамическое равновесие, при котором уменьшающийся диффузионный ток становится равным дрейфовому:

I_диф=I_др,

т.е. ток через p-n-переход равен нулю. Это соответствует определенной высоте потенциального барьера ₀.Установившаяся высота потенциального барьера (₀) в электрон-вольтах численно равна контактной разности потенциалов (U_к) в вольтах, создаваемой между нескомпенсированными неподвижными зарядами противоположных знаков по обе стороны границы:

₀=U_к.

В состоянии равновесия p-n переход характеризуется также шириной (l₀).