P-n-переход в состоянии термодинамического равновесия

Основой большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный или p-n-переход. Электронно-дырочным или p-n-переходом называют область на границе двух полупроводников, один из которых имеет электронную, а другой – дырочную электропроводность. Рассмотрим образование p-n-перехода при соприкосновении двух полупроводников с различными типами электропроводности (рис. 1).

Так как концентрация электронов в полупроводнике n-типа намного больше концентрации электронов в полупроводнике p-типа , а концентрация дырок в полупроводнике p-типа значительно больше концентрации дырок в полупроводнике n-типа , то на границе раздела двух полупроводников создается градиент (перепад) концентраций дырок и электронов. Это вызывает диффузию электронов из слоя n в слой p, а дырок – из слоя p в слой n. При встречном движении электронов и дырок происходит их рекомбинация (воссоединение) – свободные электроны из зоны полупроводника n-типа занимают свободные уровни в валентной зоне полупроводника p-типа.

Рекомбинация основных носителей приводит к тому, что в приконтактной зоне полупроводников образуется обедненный от подвижных носителей заряда слой, обладающий большим сопротивлением, – так называемый запирающий слой (рис. 1, б). Толщина запирающего слоя составляет десятые доли микрона.

Рис. 1. Структура электронно-дырочного перехода в состоянии термодинамического равновесия: а – распределение носителей заряда в полупроводниках p- и n-типов до образования контакта; б – то же в условиях контакта, но при отсутствии внешнего поля; в – распределение концентраций акцепторной и донорной примесей, а также концентраций основных и неосновных носителей заряда; г – распределение плотности пространственного заряда; д – изменение потенциальных энергий электронов и дырок ; е – распределение концентраций основных и неосновных носителей заряда

 

Обедненный слой представляет собой область на границе полупроводников, имеющую определенную плотность объемного заряда, так как в приконтактной зоне полупроводника n-типа образуется нескомпенсированный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в полупроводнике p-типа – нескомпенсированный отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.

 

Двойной электрический слой, который образуют неподвижные ионы донорной и акцепторной примесей, приводит к появлению контактной разности потенциалов, называемой потенциальным барьером . Возникшая разность потенциалов создает в запирающем слое электрическое поле, напряженность которого направлена от полупроводника n-типа к полупроводнику p-типа (рис. 1, б).

Величина потенциального барьера равна

,

где – температурный потенциал (при К температурный потенциал равен В); Дж/К – постоянная Больцмана; – абсолютная температура, К; Кл – заряд электрона.

График распределения плотности пространственного заряда в идеализированном виде приведен на рис. 1, г. На внешней границе и в глубине полупроводников заряд равен нулю, а в приконтактных зонах полупроводников p- и n-типа определяется соответственно концентрациями атомов акцепторной и донорной примесей.

Появление электрического поля напряженностью препятствует расширению запирающего слоя (диффузии основных носителей) и не препятствует движению неосновных носителей (вызывает так называемый дрейф неосновных носителей). На рис. 1, д приведены графики потенциальных энергий дырок и электронов. В глубине дырочного полупроводника потенциальная энергия дырок равна некоторому постоянному значению, а при приближении к зоне p-n-перехода энергия начинает расти за счет потенциальной энергии электрического поля p-n-перехода. В глубине слоя n-типа потенциальная энергия дырок максимальна и превосходит эту энергию в полупроводнике p-типа на , обусловленную потенциальной энергией двойного электрического слоя. Для того чтобы дырки могли перейти из слоя p-типа в слой n-типа, они должны обладать энергией, достаточной для преодоления потенциального барьера, высота которого .

Потенциальная энергия электронов в слое n-типа равна некоторому постоянному значению, а при приближении к p-n-переходу начинает расти. В полупроводнике p-типа эта энергия максимальна и превосходит энергию электронов области полупроводника n-типа на . Для перехода электронов из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа необходимо преодолеть потенциальный барьер, высота которого обусловлена потенциальной энергией поля.

При переходе неосновных носителей из одной области в другую происходит не преодоление потенциального барьера, а как бы "скатывание" с него. Однако при движении через p-n-переход неосновных носителей (так называемый дрейфовый ток ) происходит снижение контактной разности потенциалов , что позволяет некоторой части основных носителей, обладающих достаточной энергией, преодолеть потенциальный барьер высотой . Появляется диффузионный ток , который направлен навстречу дрейфовому току , т.е. возникает динамическое равновесие, при котором =.