2. Возникновение эдс в однородном полупроводнике при его освещении

Если однородный полупроводник осветить сильно поглощае­мым светом, то в его поверхностном слое, где происходит ос­новное поглощение света, возникнет избыточная концентрация электронов и дырок, которые будут диффундировать вглубь полупроводника (рис.4.3).

Коэффициент диффузии электронов обычно значительно больше

коэффициента диффузии дырок.

Рис. 4.3 Образование ЭДС Дембера

Поэтому при диффузии электроны опережают дырки, происхо­дит некоторое разделение зарядов — поверхность полупровод­ника приобретает положительный заряд, а объем заряжается отрицательно.

Таким образом, в полупроводнике при его осве­щении возникает электрическое поле и ЭДС, которую иногда называют ЭДС Дембера.

Возникшее электрическое поле будет тормозить электроны и ускорять дырки при их движении от по­верхности полупроводника, в результате чего через

некоторое время после начала освещения уста­новится динамическое равновесие.

Напряженность электрического по­ля Е, возникающую в полупроводнике при его освещении, можно найти, ис­пользуя уравнения для дрейфового и диффузионного тока с учетом того, что в установившемся состоянии динамического равновесия тока через полупроводник нет.

Тогда

0 = qn_nE + qD_n gradn + qp_pE – qD_P gradp (4.9)

При gradp = gradn

E = - gradn(p) (D_n - D_P) / (n_n + p_p) (4.10)

т. е. напряженность электрического поля пропорциональна возникающему при освещении полупроводника градиенту кон­центрации носителей заряда.

Контактные явления в полупроводнике

Электронно - дырочный переход

Электронно - дырочный переход (p-n переход) - переходный слой между двумя областями п/п с разной электропроводимостью, в котором существует диффузионное электричское поле.

Образование электронно - дырочного перехода.

Электронно-дырочный или p-n-переход - область на границе двух по­лупроводников с различными типами электропроводности, т.е. p-n переход об­разуется между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет элек­тронную электропроводность, а другая дырочную электропроводность (рис. 4.4).

Пусть имеется пластина кремния (или германия). Од­на часть ее объема n-типа, содержит донорную примесь, т.е. обладает электрон­ной проводимостью, а другая р-типа, т.е. обладает дырочной проводимостью.

Поверхность, по которой кон­тактируют слои р и n, называется ме­талургической границей, а приле­гающая к ней область - р-п-переходом.

p-n переходы классифицируют по рез­кости металлургической границы и по соотношению удельных сопротивлений слоев:

Рис. 4.4 p-n переход

** ступенчатые переходы - переходы с идеальной границей, по одну сторону которой рас­полагаются доноры с постоянной кон­центрацией, а по другую - акцепторы с постоянной концентрацией;

** плавные переходы - переходы у которых в районе металлургической границы концен­трация одного типа примеси постепенно уменьшается, а другого типа - растет.

** p-n-переход называется симметричным, если концентрация р и п носителеи в соответствующих слоях одинакова.

Симметричные переходы не типичны для полупроводниковой техники. Главное распространение имеют несиммет­ричные переходы, у которых концентрации р и n носителей не одинаковы.

p-n-переход в равновесном состоянии

Если к р-n полупроводнику не приложено внешнее напряжение (которое создает поле в объеме полупроводника), то имеет место равновесное состояние p-n-перехода.

При отсутствии внешнего напряжения движение электрических зарядов через p-n переход носит характер диффузии основных носителей заряда из одной области проводимости в дру­гую где они становятся неосновными носителями и через определенное время рекомбинируют с основными носителями.

В результате диффузии и рекомбинации носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупро­водника.

Рис. 4.5 Равновесное состояние p-n перехода

В р-области вблизи металлургического контакта после диффузии из нее дырок остаются неподвижные отрицательно заряженные ионы акцепторов, а в n-области — неподвижные положительно заряженные ионы доноров.

Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно за­ряженных слоев ионов примеси решетки.

Эти заряды создают в области р-n перехода электрическое поле, направленное от n-области к р-области. Это поле, обозначаемое как Е_дифф или Е_зап (диффузионное или запирающее), направлено таким образом, что препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда.

Между п и р областями при этом существует разность потенциалов, назы­ваемая контактной разностью потенциалов (U_конт), или говорят, что в области p-n перехода образуется потенциальный барьер (), а p-n переход называют запирающим слоем.

При этом потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу р-области,

Пример: x - ширина запирающего слоя (0,1 - 1 мкм), U_KGe= 0,36В; U_KSi= 0,8В.

Диффузия электронов и дырок создает диффузионный ток через р-n переход, и приводит к образованию потенциального барьера.

Потенциальный барьер вызывает дрейф неосновных носителей заряда (дырок из n-области в р-область и электронов, соответст­венно, из р-области в n-область), т.е. через р-n переход беспрепятственно проходят неосновные но­сители заряда, для которых поле p-n перехода является ускоряющим.

В результате дрейфа неосновных носителей заряда возникает дрейфовый ток, встречный по направлению диффузионному току.

!!! При отсутствии внешнего электрического поля результирующий ток через p-n переход в равновесном состоянии отсутствует.

I_{дифф n} - I_{др n} + I_{дифф p} - I_{др p} = 0 (4.11)

Поэтому I_дифф = I_др (4.12)

Рис. 4.6 Токи через p-n переход (основных и неосновных носителей)

p-n переход в неравновесном состоянии. Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода

Энергетическую диаграмму электронно - дырочного перехода рассмотрим для 3-х случаев:

1. Внешнее электрическое поле отсутствует (равновесное состояние)

2. Внешнее электрическое поле совпадает с направлением диффузионного поля перехода.

3. Внешнее электрическое поле направлено противоположно диффузионному полю

перехода

Во 2-м и 3-м случаях говорят о прямом и обратном смещении р-п-перехода

На рис. 4.6.а изображена зонная диаграмма p-n перехода в равновесном состоянии.

Дрейфовый ток и диффузионный ток равны.

На рис. 4.6.б и 4.6.в соответствует случаю, если к p-n переходу приложить внешнее электрическое поле, т.е. подключить n и p области к источнику э.д.с.

Прямосмещенный переход

Напряженность результирующего поля на переходе уменьшится (внешнее и диффузионное поля разнонаправлены).

Е _рез = Е_зап - Е_внеш (4.13)

Дрейфовый ток уменьшится, а диффузионный ток увеличится, в результате чего, динамиче­ское равновесие нарушится и возникнет ток через р-n переход.

Высота потенциального барьера уменьшаетсяя и становится равной:

q(_k - U_внеш) (4.14)

Ширина p-n перехода при этом уменьшается.

Т.к. потенциальный барьер снизится, то повы­сится число свободных электронов, прони­кающих из слоя n в слой р, и дырок из слоя р в слой n – в этом случае происходит инжекция неосновных носителей заряда.

а) б) в)

Рис. 4.6 зонные диаграммы p-n перехода

Инжекция - появление в слое полупроводника неосновных носителей заряда. Этот ток называется прямым током, а включение р-n перехода - прямым включением.

Обратносмещенный переход

На рис. 4.6 в изображен случай, если изменить полярность внешнего источника.

Напряженность результирующего поля на переходе увеличится (внешнее и диффузионное поля направлены в одну сторону).

Е _рез = Е_зап + Е_внеш (4.15)

Дрейфовый ток увеличится, а диффузионный ток уменьшится, в результате чего, динамиче­ское равновесие нарушится и также возникнет ток через р-n переход.

Высота и ширина потенциального барьера увеличится и станет равной:

q(_k + U_внеш) (4.16)

Ширина p-n перехода при этом увеличивается.

Электроны из слоя n будут двигаться от границы слоев к положительному полюсу внешнего источника, а дырки из слоя р к отрицательному полюсу. Т.о., и свободные электроны, и дырки будут уходить от границы слоев.

В результате между слоями образуется область, в которой не остается ни элек­тронов, ни дырок. Ток (диффузионный) через p-n-переход не пойдет.

При обратном напряжении толщина p-n перехода возрастает не пропорционально напряжению и в нем преобладает дрейфовое движение носителей по сравнению с диффузионным: дырки из n- области и электроны из p- области вследствие теплового хаотического движения могут попасть в область перехода, где они попадают в ускоряющее поле, переносящее их в соседнюю область.

В результате уменьшается концентрация неосновных носителей у границ перехода - это явление называется экстракцией неосновных носителей

В цепи в этом случае будет проходить ток, этот ток небольшой, называется он обратным током. Он обусловлен наличием в слое n некоторого числа неосновных носителей - дырок, а в слое р - свободных электронов, которые будут проникать в пограничную область и поддерживать ток через переход.

Этот обратный ток, будет на несколько порядков меньше прямого тока:

1_обр « 1_пр , при этом Iпр[мА ], а Iобр[мкА ]

Из рассмотренных случаев следует, что направление внешнего поля определяет вентильные свойства p-n-перехода, т.е. способность проводить ток в одном направлении в зависимости от полярности приложенного напряжения.

10