Понятие и образование электронно-дырочного перехода

ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫХ ПЕРЕХОДАХ

Понятие и образование электронно-дырочного перехода

Электрическим переходом называется переходный слой между областями твердого тела с различными типами или значениями проводимости. Например, между областями полупроводников n- и p-типов, металлом и полупроводником, диэлектриком и полупроводником и т.д.

Переход между областями полупроводника с электропроводностью p- и n-типов называют электронно-дырочным переходом или p-n переходом.

Рассмотрим образование несимметричного p-n перехода при идеальном контакте двух полупроводников с различным типом проводимости. Через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полупроводниках) возникает диффузия из-за градиента концентрации носителей заряда. В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника.

Пусть концентрация акцепторов Nа в области полупроводника p-типа больше концентрации доноров Nд в области полупроводника n-типа: Nа>>Nд. При этом концентрация основных носителей заряда - дырок в полупроводнике - p-типа будет больше концентрации основных носителей заряда - электронов в полупроводнике n-типа: p_p>n_n. Соответственно, концентрация неосновных носителей заряда - электронов в полупроводнике p-типа - меньше концентрации неосновных носителей заряда - дырок в полупроводнике n-типа: n_p<p_n. Образование несимметричного p-n перехода посредством металлургического контакта двух полупроводников с различным типов проводимости иллюстрируется рис.1. На рис.1 указано, что внешнее напряжение на переход не подается, а p- и n-области соединены между собой, подтверждая рассмотрение p-n перехода в равновесном состоянии.

Рис.1.Образование несимметричного p-n перехода посредством металлургического контакта двух полупроводников

Допустим, Nа=10¹⁸см^-3, а Nд=10¹⁵см^-3. Поясним процесс образования p-n перехода с помощью диаграмм, представленных на рис.2. На рис. 2 обозначено:

+ - дырка - основной носитель заряда полупроводника p-типа;

- - электрон - основной носитель заряда полупроводника n-типа;

-положительный ион донора; отрицательный ион акцептора;

l_p - ширина p-n перехода в области полупроводника p-типа; l_n - ширина p-n перехода в области полупроводника n-типа; l_o - ширина p-n перехода в равновесном состоянии.

Распределения концентраций основных и неосновных носителей заряда в полупроводниках определяются из закона действующих масс. Так для полупроводника p-типа закон действующих масс записывается в виде: n_i²=p_p×n_p=Nа×n_p. Допустим, что для изготовления p-n перехода используется полупроводниковый материал германий, у которого собственная концентрация (концентрация свободных носителей заряда в полупроводнике i-типа) носителей заряда составляет величину: n_iGE=2,5×10¹³см^-3 . При условии p_p=Nа=10¹⁸см^-3, из

закона действующих масс находим, что n_p=6,25×10⁸см^-3 . В полупроводнике n-типа закон действующих масс определяется соотношением : n_i²=n_n×p_n=Nд×p_n. При условии n_n=10¹⁵см^-3 из закона действующих масс получаем, что p_n=6,25×10¹¹см^-3 . В результате разности концентраций подвижных носителей заряда на границе контакта полупроводников p- и n-типов (диаграмма 2 рис.2) имеет место градиент концентрации носителей заряда каждого знака. Под действием градиента концентрации будет происходить диффузияосновных носителей заряда из области с высокой концентрацией в область с меньшей их концентрацией. Дырки переходят из области полупроводника p-типа в область полупроводника n-типа, оставляя в p-области отрицательные ионы акцепторов. В области полупроводника n-типа дырки рекомбинируют с электронами, обнажая в процессе рекомбинации положительно заряженные ионы доноров.

Аналогично и электроны из области полупроводника n-типа переходят в область полупроводника p-типа, оставляя в полупроводнике n-типа положительные ионы доноров. В области полупроводника p-типа при рекомбинации электронов с дырками дополнительно обнажаются отрицательные ионы акцепторов. Отрицательные ионы акцепторов и положительные ионы доноров находятся в узлах кристаллической решетки поэтому не могут двигаться по кристаллу полупроводника. Таким образом, вблизи контакта полупроводников с различным типом проводимости возникает двойной слой пространственного заряда: отрицательный в области полупроводника p-типа; положительный в области полупроводника n-типа (диаграмма 1 рис.2).

В области объемных зарядов мала концентрация подвижных носителей заряда, поэтому этот слой обладает повышенным сопротивлением и называется запорным слоем или p-n переходом.