80

Электронно-дырочный переход (pn – переход). Возникновение потенциального барьера. Контактная разность потенциалов.

На рис. 1 представлены энергетические диаграммы для легированных акцепторной примесью (p тип) и донорной примесью (n тип) двух полупроводниковых кристаллов одного и того же материала, находящихся на близком расстоянии, но не взаимодействующих друг с другом.

М

Рисунок 1 – Энергетическая диаграмма: (а)

изолированные p и n области, (б) pn - переход.

Рисунок 2 – Возникновение области пространственного заряда (двойного заряженного слоя) в pn переходе

атериал p и n типа отличается положением уровней Ферми - Fp и Fn, и соответственно работой выхода Фp и Фn. За работу выхода электронов в полупроводниках принимают энергетическое расстояние от уровня Ферми до энергетического уровня соответствующего энергии электрона находящегося в вакууме с нулевой кинетическое энергией (нулевой уровень). При создании pn перехода - тесного между p и n областями тесного физического контакта на границе p- и n-областей из-за большого градиента концентрации дырок и электронов возникает их диффузия в соседние области, причем из материала n типа выходят преимущественно электроны, а из материала p типа преимущественно дырки.

Неэквивалентность потоков электронов из n в p область и из p в n область приводит к тому, что на границе раздела появляется пространственный заряд. В n области заряд будет положительный, поскольку из нее уходят “примесные” электроны и остается нескомпенсированный положительный заряд ионов донорной примеси. В p области заряд будет отрицательный, поскольку из нее уходят “примесные” дырки и остается не скомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторной примеси. Таким образом, на границе раздела (в pn переходе) возникает двойной заряженный слой, что иллюстрирует рис. 2.. При этом положительный заряд в p области равен отрицательному заряду в n области, так что образец в целом остается электронейтральным.

В области пространственного заряда (ОПЗ) возникает электрическое поле, направленное от n области к p области, препятствующее переходу основных носителей через границу областей. Чем больше переходит основных носителей, тем больше нескомпенсированный заряд в ОПЗ, тем выше энергетический барьер, препятствующий переходу. Равновесие наступает при некотором соотношении между высотой барьера и концентрацией носителей заряда. При этом следует отметить, что в самой барьерной области (области пространственного заряда) концентрация носителей мала (она близка к собственной), поскольку все попадающие в ОПЗ носители выбрасываются из этой области электрически полем. Поэтому область пространственного заряда обладает проводимостью на несколько порядков меньшей, чем легированные p и n области, и если к полупроводниковой структуре с pn переходом приложено внешнее напряжение, то оно падает, в основном на ОПЗ, а в прилегающих к переходу p и n областях электрического поля практически нет.

Направление контактного электрического поля (Еконт) таково, что оно препятствует диффузии в соседнюю область основных носителей заряда и способствует переходу неосновных. При некотором значении поля установится равновесие, когда количество зарядов переходящих навстречу друг другу одинаково. Этому электрическому полю соответствует равновесное значение контактной разности потенциалов.

Величина контактной разности потенциалов равна:

где Na, Nd - концентрации легирующей примеси, n_i² - квадрат концентрации собственных носителей заряда, _t=kT/q – тепловой потенциал. При Т=300 К _t=26 мВ.

Таким образом потенциальный барьер в pn переходе тем выше, чем сильнее легированы p и n области. По мере роста температуры контактная разность потенциалов с ростом температуры уменьшается.

Возникновение двойного слоя пространственного заряда и соответствующего ему обусловленного контактным полем потенциального барьера нарушает симметрию транспорта через pn переход дырок и электронов. Действительно барьер существует только для основных носителей (n_n и p_p), поскольку в соседнюю область они перемещаются против сил электростатического взаимодействия с полем. Соответственно барьер смогут преодолеть только те носители n_n и p_p, тепловая энергия которых выше энергии потенциального барьера.

Чем выше высота потенциального барьера тем, меньше основных носителей сможет его преодолеть. Поскольку основные носители перемещаются через границу диффузионным механизмом. Их ток часто называют диффузионным, при этом следует обратить внимание (см. рис 2.), что направления диффузионных токов, создаваемого n_n и p_p совпадают: J_диф = J_nдиф + J_pдиф.

Для неосновных носителей (n_p и p_n) потенциального барьера нет, поскольку направление сил их электростатического взаимодействия с контактным полем совпадает с направлением их перехода в соседнюю область. Поэтому поток неосновных носителей зависит только от их концентрации в приконтактной области и не зависит от высоты барьера. Все неосновные носители, попавшие в область пространственного заряда pn перехода будут подхвачены электрическим полем и переброшены в соседнюю область. Следует обратить внимание (см. рис 2.7), что направление тока J_s , создаваемого неосновными носителями n_p и p_n, дрейфующими в электрическом поле pn перехода совпадают: J_s = J_sn + J_sp. Поскольку суммарный ток через pn переход в отсутствии внешнего напряжения должен быть равен нулю, то J_диф = -J_s.

Прохождение тока через электронно-дырочный переход