2. Электронно-дырочный переход

Принцип действия большинства полупроводниковых приборов основан на явлениях, возникающих на границе двух полупроводников с различными типами проводимости, границе полупроводника и металла или полупроводника и диэлектрика. Наибольший интерес представляет граница двух полупроводников с различными типами проводимости. Эта область имеет ширину порядка долей микрометра и носит название электронно-дырочного перехода, или p-n перехода.

Рассмотрим распределение заряженных частиц в p-n переходе. В донорном полупроводнике существует повышенная концентрация свободных электронов, в акцепторном — дырок. Соответственно, выделяют донорную, или n-область, и акцепторную, или p-область. Из-за разницы в концентрации основных носителей зарядов наблюдается переход (диффузия) электронов из области n в область p и движение (диффузия) дырок в противоположном направлении. Внутри полупроводника возникает электрический ток, называемый диффузионным. Диффузионный ток имеет две составляющие: , где , — токи, образованные соответственно дырками области p и электронами области n.

Электроны, диффундировавшие из области n в область p, рекомбинируют в ней с дырками. В результате этого отрицательные заряды ионов примеси-акцептора становятся нескомпенсированными. Аналогично, при диффузии дырок в область n в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд, определяемый ионами примеси-донора. На рис. 3 ионы примесей показаны многоугольниками.

Рис. 3

Так как заряды ионов примесей в приграничных зонах не скомпенсированы зарядами электронов и дырок, то по разные стороны p-n перехода возникает разность потенциалов , называемая высотой потенциального барьера. Это ведет к появлению в данной области электрического поля с напряженностью Е_ВНУТ, которое препятствует рассмотренным процессам диффузии электронов и дырок. Чтобы преодолеть сопротивление поля, электрон (или дырка) должен теперь обладать энергией, не меньшей чем , где q — элементарный заряд электрона.

Величина потенциального барьера определяется концентрациями носителей заряда:

,

где — температурный потенциал; — постоянная Больцмана; — абсолютная температура; , — концентрации донорной и акцепторной примесей соответственно. Обычно p-n переход несимметричен, т. е. концентрации и не равны между собой. Один из полупроводников, образующих переход, как правило легирован примесью существенно сильнее другого. В этом случае говорят о сильнолегированной эмиттерной области и о слаболегированной области базы. Для обозначения степени легирования используют знак «+», например, p⁺-n. Если принять, что , , , то при комнатной температуре получим . Реально высота потенциального барьера для p-n перехов на основе германия составляет 0,3...0,4 В, на основе кремния — 0,6...0,8 В.

Одновременно с перемещением основных носителей заряда через p-n переход начинается перемещение неосновных носителей в направлении поля p-n перехода, которое для них является ускоряющим. Дырки движутся из области n в область p, навстречу им движутся свободные электроны. Данный поток неосновных носителей создает дрейфовый ток , где , — токи, образованные соответственно дырками области n и электронами области p.

Электрическое поле, появляющееся в области p-n перехода, стремится удалить из нее основные носители заряда (электроны для области n и дырки для области p), в том числе появляющиеся при термогенерации. В данной области возникает обедненный слой с малой концентрацией подвижных носителей зарядов — электронов и дырок. Поэтому граница p-n перехода представляет собой диэлектрик, а сам p-n переход уподобляется конденсатору, емкость которого зависит от ширины и площади p-n перехода. Ширина области p-n перехода может быть определена из следующего выражения:

,

где — относительная диэлектрическая проницаемость среды; — электрическая постоянная; — концентрация донорной или акцепторной примеси, в идеальном приборе они одинаковы, для несимметричного прибора используется концентрация в эмиттерной области.

В отсутствие внешнего электрического поля устанавливается динамическое равновесие между потоками основных и неосновных носителей заряда. Диффузионный и дрейфовый токи оказываются равными по величине:

,

ф1(0)

где для условия равновесия обозначениям диффузионного и дрейфового токов добавлен нулевой индекс. Так как дрейфовый и диффузионный токи направлены в противоположные стороны, то результирующий ток через p-n переход будет равен нулю.