Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n-переходом. Электрон­но-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нели­нейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких р-n-переходов.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рис. 2.1). Из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р-типа в полупроводник n-типа диффундируют дырки. Это диффузионное перемещение электронов и дырок показано на рис. 2.1,а стрел­ками. Кружки с плюсом и минусом изображают атомы донорной и ак­цепторной примеси, заряженные соответственно положительно и отрицательно.

Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения - №1 - открытая онлайн библиотека

Рис. 2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

В результате в области п возникает неподвижный положительный объемный заряд. Подобно этому в области р возникает отрицательный неподвижный объемный заряд. Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов:

φ0 = φn - φp

и электрическое поле (вектор напряженности Ек). На рис. 2.1,бизображена потенциальная диаграмма р-п -перехода, когда внешнее напряжение к переходу не приложено.

Как видно, в р-n-переходе возникает потенци­альный барьер, препятствующий диффузионному пере­ходу носителей. На рис. 2.1,бизображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии переме­щаться слева направо (из области п в область р).

Высота барьера равна контактной разности потен­циалов и обычно составляет десятые доли вольта. Для германия, например, при средней концентрации примесей φ0= 0,3-0,4 В и d = 10-4-10-5 см, а при небольших концентрациях, создаваемых в кремниевых приборах, φ0≈0,7 В и d = 10-6 см.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием элек­трического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n-области обратно в р-облгсть и электроны из р-области обратно в п-область. На рис. 2.1,а такое перемещение неосновных носителей, представляющее собой их дрейф, показано также стрелками. При постоянной темпера­туре р-n-переход находится в состоянии динамического равновесия.

Перемещение носителей за счет диффузии является диф­фузионным током (Iдиф), а движение носителей под действием поля представ­ляет собой ток дрейфа (Iдр). В установившемся режиме, т. е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.

На рис. 2.1,впоказано распределение концентрации носителей в р-n пе­реходе. Взяты значения концентраций, характерные для германия. Так как концентрации основных и неосновных носителей отличаются друг от друга в миллионы раз, то по вертикальной оси концентрации отложены в логарифмическом масштабе.

Концентрации примесей в областях пир обычно бывают различными. Именно такой случай показан на рис. 2.1,в. В полу­проводнике п-типа концентрации основных и неосновных носителей взяты со­ответственно nn = 1018 и pn = 108 см-3, а в полупроводнике р-типа кон­центрация примесей меньше, и поэтому pp = 1016 и np = 1010 см-3.

Как видно, в р-n-переходе концентрация электронов плавно меняется от 1018 до 1010 см-3, а концентрация дырок - от 1016 до 108 см-3. В ре­зультате этого в средней части перехода образуется слой с малой концен­трацией носителей (обедненный носителями слой). Например, на самой границе концентрация электронов составляет 1014 см-3, т. е. она в 10000 раз меньше, чем в области п, а концентрация дырок равна 1012 см-3, и она тоже в 10000 раз меньше, чем в области р. Соответственно и удельная электрическая прово­димость р-n-перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях об­ластей рип.

Таким образом в р-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов р- и п-полупроводников.