1. Общие сведения

1.1. Контакт электронного и дырочного полупроводников

Соответствующим введением примесей в полупроводник можно создать такое их распределение, что одна часть кристалла будет полупроводником n-типа, а другая - полупроводником р-типа.

Электронно-дырочным переходом (p-n-переходом) называют слой полупроводника, располагающийся по обе стороны от границы раздела р и n областей.

Различают резкий и плавный p-n-переходы, в зависимости от характера распределения примесей. В резком p-n-переходе концентрация акцепторов и доноров изменяется скачкообразно на границе р и n областей (рис. 3.1 кривая1). В плавном переходе концентрация акцепторов и доноров является линейной функцией расстояния (рис. 3.1 кривая 2). Относительно резкий p-n- переход можно создать при вплавлении примеси, плавный- при диффузии.

Поскольку на границе раздела р и n областей имеется градиент концентрации свободных носителей заряда, то будет происходить процесс диффузии электронов в р-область и дырок в n-область. Это приводит к обеднению носителями заряда приграничных слоев и к возникновению объемных зарядов противоположного знака. В р-полупроводнике в приграничном слое падает концентрация дырок, а в n-полупроводнике- концентрация электронов. В резком p-n-переходе создаются обедненные слои ступенчатого объемного заряда, а в плавном – линейного объемного заряда (рис. 3.2).

Для случая на рис. 3.2 концентрация акцепторов в р-области выше концентрации доноров в n-области.

Толщины слоев обратно пропорциональны концентрациям примесей в областях полупроводника. Однако, при любых соотношениях концентрации примесей в областях полупроводника сумма объемных зарядов в р и n областях равна нулю, т.е. площади под кривыми (х) равны между собой.

Считают, что концентрация равновесных основных носителей заряда в полупроводнике вне p-n-перехода равна концентрации примесей, т.е. примеси полностью ионизованы. Тогда равновесная концентрация электронов n_n0 в нейтральной части n-полупроводника равна N_D, а равновесная концентрация дырок р_р0 в нейтральной части р-области равна N_А:

n_n0=N_D , p_p0=N_А. (3.1)

Для равновесных концентраций всегда справедлив закон действующих масс, поэтому произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда в обеих частях p-n-перехода всюду одинаково и равно квадрату концентрации собственных носителей:

n_n0p_n0=p_p0n_p0= . (3.2)

Н а рис.3.3 изображены зависимости концентраций основных и неосновных носителей заряда по обе стороны от резкого p-n-перехода и в самом резком p-n-переходе.

1.2. Равновесное состояние p-n-перехода

Концентрация дырок в р-области на несколько порядков превосходит концентрацию их в n-области, а концентрация электронов в n- области намного превосходит концентрацию электронов в р-области. Такое различие в концентрации однотипных носителей в контактирующих областях полупроводника приводит к возникновению диффузионных потоков электронов из n-области в р-область и диффузионного потока дырок из р-области в n-область. При этом n-область, из которой диффундировали электроны, заряжается положительно, а область р из которой диффундировали дырки – отрицательно. Область же p-n-перехода обеднена основными носителями заряда. Поскольку область p-n-перехода обеднена основными носителями заряда, то она будет обладать гораздо большим сопротивлением, чем электронейтральные p- и n-слои. В целом же переход электронейтрален, т.к. положительные и отрицательные заряды в смежных областях одинаковы. Поэтому различие в концентрации примеси в смежных слоях приводит к различию в ширине областей, занимаемых пространственными зарядами. В слое с меньшей концентрацией примеси ширина области пространственного заряда будет больше.

Нескомпенсированные заряды ионов примесей вызывают появление электрического поля, направленного от положительного заряда к отрицательному, т.е. из слоя n в слой р. Это поле будет препятствовать дальнейшей диффузии. В равновесном состоянии диффузионные токи уравновешиваются дрейфовыми токами. Полный ток при этом через p-n-переход равен нулю.

Возникновение электрического поля в p-n-переходе приводит к появлению разности потенциалов между смежными слоями, которая называется контактной разностью потенциалов. В p-n-переходе образуется потенциальный барьер.

Рассмотрим зонную схему для равновесного состояния p-n-перехода.

Уровень Ферми является общим при контакте тел, находящихся в термодинамическом равновесии. Поэтому уровни Ферми в р- и n- областях должны находиться на одинаковом уровне, что вызывает искривление зон.

Зонная схема p-n-перехода в равновесном состоянии показана на рис. 3.4 б. На рис. 3.4 а показаны зонные схемы р и n полупроводников до соприкосновения. Образующаяся в p-n-переходе контактная разность потенциалов V_K создает в p-n-переходе потенциальный барьер ₀, препятствующий переходу электронов из р области в n область, а дырок – из области n в р область.

qV_K=E_cp-E_cn=E_ip-E_in. (3.3)

Ход электростатического потенциала противоположен ходу зон (рис. 3.5).

. (3.4)

qV_K=E_ip-E_in=(E_ip-E_F)+(E_F-E_in). (3.5)

Из закона действующих масс следует:

(3.6)

(3.7)

Из (3.6) и (3.7) можно получить:

(3.8)

(3.9)

Подставим (3.8) и (3.9) в (3.5):

(3.10)

Следовательно, чем сильнее легированы обе области полупроводника, т.е. чем больше n_n0=N_D и p_p0=N_A, тем больше контактная разность потенциалов.

Из (3.10) можно получить формулы, выражающие равновесные концентрации неосновных носителей заряда через равновесные концентрации основных носителей заряда в противоположных областях:

(3.11)

(3.12)