3. Структура p-n перехода.

Концентрации примесей и свободных носителей в каждом из слоев перехода показаны на рис 2.1а.

– концентрация акцепторной примеси;

– концентрация донорной примеси;

– концентрация дырок в слое;

– концентрация электронов в слое;

– концентрация электронов в слое;

– концентрация дырок в слое.

Поскольку здесь концентрация электронов в слое значительно больше, чем в слое , часть электронов диффундирует из слоя в слой . При этом в слое вблизи границы окажутся избыточные электроны, которые будут рекомбинировать с дырками до тех пор, пока не будет выполнено условие равновесия . Соответственно в этой области уменьшится концентрация свободных дырок и "обнажатся" некомпенсированные отрицательные заряды акцепторных атомов. Слева от металлургической границы "обнажатся" некомпенсированные положительные заряды ионов доноров, поскольку часть электронов перешла отсюда в слой (рис 2.1б). Аналогичные рассуждения действительны для дырок слоя , которые частично диффундируют в слой . Однако в несимметричном переходе, в котором , диффузия дырок в слой малосущественна, поскольку разность концентраций значительно меньше разницы , а именно этими разностями определяются градиенты концентраций и диффузионные токи.

Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область перехода. Часто эту область называют обедненным слоем, имея в виду резко пониженную концентрацию подвижных носителей в обеих ее частях.

В большинстве случаев p-n - переход можно идеализировать так, как показано на рис. 2.1в.

Переход в целом нейтрален, т.е. положительный заряд в левой части и отрицательный заряд в правой части одинаковы. При этом условии различие в концентрациях акцепторной и донорной примесей неизбежно связано с различием в протяженности обоих зарядов: в слое с меньшей концентрацией примеси (в нашем случае в слое), область объемного заряда должна быть шире. Следовательно, несимметричный переход в основном сосредоточен в высокоомном слое.

Пространственные заряды в переходе образуют электрическое поле, которое направлено так, что оно ограничивает диффузию носителей. В равновесном состоянии диффузионные потоки носителей, обусловленные градиентами концентраций, в любой точке равны дрейфовым потокам тех же носителей, обусловленных градиентом потенциала и направленных навстречу диффузионным потокам.

Рассмотрим переход с точки зрения зонной теории. В отсутствие контакта совокупность и –слоев характеризуется диаграммой на рис 2.2а.

При наличии контакта уровень Ферми должен быть единым, а это приводит к неизбежному искривлению зон, различию электростатических потенциалов и и образованию потенциального барьера (рис 2.2б). При этом основная масса электронов - слоя диффундирует слева направо в область перехода, но не может преодолеть потенциальный барьер и, проникнув в переход на некоторую глубину, "отражается" и возвращается в -слой (рис. 2.2в). Дырки -слоя независимо от энергии беспрепятственно "всплывают" в слой и образуют поток слева направо. Этот поток уравновешивается встречным потоком достаточно энергичных дырок слоя, способных преодолеть барьер. Аналогичная ситуация имеет место по отношению к электронам: электроны слоя свободно "скатываются" в слой. Этот поток уравновешивается потоком наиболее энергичных электронов слоя. Основная масса дырок этого слоя, "пытающаяся" диффундировать в слой, отражается потенциальным барьером (рис.2.2в). Глубина проникновения отражаемых носителей в переход тем больше, чем выше их энергия.

В области перехода на рис. 2.2б показаны ионизированные атомы доноров слева и акцепторов справа. Как известно, уровни этих ионов расположены вдоль всего соответствующего слоя, но на рис.2.2б они показаны только в пределах перехода, чтобы подчеркнуть, что заряд ионов на этих участках не скомпенсирован. Действительно, расстояние между дном зоны проводимости и уровнем Ферми увеличивается вправо, а значит, на участке p-n перехода быстро убывает вероятность заполнения этой зоны электронами и концентрация электронов резко падает. Аналогично обстоит дело и по отношению к акцепторным ионам. Очевидно, что ионы, показанные на рис. 2.2б соответствуют ионам, образующим пространственный заряд на рис. 2.1.