Р-n переход при отсутствии внешнего напряжения

Так как носители заряда в каждом полупроводнике совершают беспорядочное движение, то происходит их диффузия из одного полупроводника в другой, где их концентрация меньше.

Поэтому из полупроводника n-типа в полупроводник р-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении – дырки. В результате по обе стороны границы раздела двух полупроводников создаются объемные заряды

различных знаков (рис.3.1,а), величина которых зависит от концентрации носителей.

Между объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов u_К = j _n - j_р и электрическое поле (вектор напряженности Е_К).

На рис. 3.1,б изображена потенциальная диаграмма для электронов, показывающая распределение потенциала вдоль полупроводника (вдоль оси Х), проходящей перпендикулярно плоскости раздела двух полупроводников), при этом за нулевой потенциал условно принят потенциал граничного слоя. Для наглядности масштаб на рисунке искажен, на самом деле толщина р-n перехода очень мала по сравнению с размерами областей n и р.

Следует отметить, что объемные заряды возникают вблизи границы, а потенциалы j _n и j _р создаются одинаковыми по всей области n или р.

Если бы они в различных частях были бы различны, то возник бы ток, в результате которого все равно произошло бы выравнивание потенциалов в этих областях. Необходимо помнить, что заряд и потенциал имеют различный физический смысл. Там, где электрический потенциал, не обязательно должен быть заряд.

В р-n переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий дальнейшему перемещению носителей. Его высота равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше концентрация носителей, тем большее их число диффундирует через границу, Плотность объемных зарядов возрастает, увеличивается контактная разность потенциалов u_К, т.е. высота потенциального барьера. Для германия, например, при средней концентрации примесей u_К = 10^-4 ¸ 10^-5 см, а при больших концентрациях
u_К » 0,7 В при d = 10^-6 см.

Практически концентрация основных носителей зарядов в областях р и n могут быть различны. Контактная разность потенциалов, обусловленная градиентом концентрации носителей зарядов, может быть определена из следующего соотношения:

u_К = ln ln , (3.1)

где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура Кельвина; N_a и N_Д концентрация акцепторов и доноров в дырочной и акцепторной областях соответственно; р_р и р_n концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; n_i – собственная концентрация полупроводника.

где r _p - удельное сопротивление р-области полупроводника; e – заряд электрона; m _p – подвижность дырок.

N_Д = . (3.3)

Одновременно с диффузией происходит и обратное движение носителей под действием внутреннего электрического поля, созданного контактной разностью потенциалов – дрейф. Дрейфовый ток осуществляют неосновные носители областей, т.е. дырки n-области, притягиваемые отрицательным потенциалом р-области, перемещаются в эту область, а электроны, являющиеся неосновными носителями в
р-области, перемещаются в область n-типа.

При постоянной температуре
р-n переход находится в состоянии динамического равновесия, т.е. диффузионный и дрейфовый токи равны по величине и противоположны по направлению, в связи с чем полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.

Каждый из токов i_ДИФ и i_ДР имеет электронную и дырочную составляющие. Значения этих составляющих при различных условиях различны, т.к. зависят от концентрации и подвижности носителей. На рис. 3.2 приведено распределение концентрации носителей зарядов, из которого видно, что приграничные области обеднены носителями, их концентрации уменьшаются примерно в 10 000 раз.

Соответственно и удельная электрическая проводимость р-n перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях областей n и р. Обедненный слой можно рассматривать как результат действия электрического поля контактной разности потенциалов, т.к. объемный отрицательный заряд «выталкивает» электроны назад в область n, а положительный объемный заряд – дырки в область р. Таким образом, в р-n переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий высоким сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных частей n- и р - полупроводников.