Полупроводниковый p-n - переход в отсутствие внешних напряжений

Полупроводниковая структура, сочетающая в себе два слоя, один из которых обладает дырочной (p­), а другой электронной (n) проводимостью называется электронно-дырочным переходом (p-n – переходом). Двухслойная p-n-структура создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой – донорной примеси (рис. 2.2, а).

На границе раздела двух сред АВ в слое, толщиной l₀, возникает градиент концентрации основных носителей заряда p_p и n_n (рис. 2.2, б). Вследствие этого возникает ток диффузии J_диф: дырки из области p, где концентрация их велика (p_p), переходят в область n, где их концентрация мала (p_n), а электроны из области n, где концентрация их велика (n_n), переходят в область p, где их концентрация мала (n_p) (рис. 2.2, в).

В области n дырки рекомбинируют с электронами, образуя вблизи границы объемный положительный заряд, а в области p электроны рекомбинируют с дырками, образуя вблизи границы объемный отрицательный заряд (рис. 2.2, а, г). Ввиду наличия объемного заряда в p-n-переходе создаются электрическое поле Е (рис. 2.2, д) и разность потенциалов φ₀ (рис. 2.2, е). Возникающие поле и разность потенциалов препятствуют увеличению тока диффузии, так как для основных носителей заряда они являются тормозящими. Однако для неосновных носителей заряда возникающее поле и разность потенциалов являются ускоряющими. Поэтому неосновные носители заряда n_p из области p движутся в область n, а неосновные носители заряда p_n из области n движутся в область p, создавая ток дрейфа J_др (рис. 2.2, в).

В установившемся режиме при отсутствии внешних потенциалов ток диффузии и ток дрейфа равны и противоположны по знаку и кристалл полупроводника остается электрически нейтральным. Равенство составляющих тока J_диф=J_др создается установлением соответствующей величины потенциального барьера φ₀ в p-n-переходе. Величина потенциального барьера φ₀ зависит от соотношения концентраций носителей заряда одного знака по обе стороны перехода и определяется соотношением

j₀ = φ_т ln (p_p/p_n) = φ_т ln (n_n/n_p),

где φ_т – тепловой потенциал.

При комнатной температуре для германия φ₀ = (0,3 – 0,6) В, а для кремния φ₀ = (0,6 – 0,8) В. Различие в значениях φ₀ объясняется большей величиной ∆W у кремния и, следовательно, меньшей концентрацией неосновных носителей заряда (при одинаковой температуре и одинаковых концентрациях внесенных примесей).