Электрического поля

Концентрация примесей, а значит, и основных носителей в областях р-n перехода обычно не одинакова (Рис. 18.4, б). Различие может составлять несколько порядков. Разность концентраций вызывает диффузию носителей заряда из области с более высокой концентрацией в область с менее высокой концентрацией. Основные носители n области – электроны – диффундируют в р область и наоборот, дырки из р области диффундируют в n область. Диффузионный ток через переход определяется суммой токов электронов и дырок. Но один из них значительно, на несколько порядков, больше другого.

Переход через границу р-n перехода и постоянный приток носителей противоположного знака приводит к появлению объемных зарядов – дырок в n области и электронов в р области. Между объемными зарядами, в непосредственной близости от обеих сторон границы, возникает область, обедненная подвижными носителями, а потому обладающая большим электрическим сопротивлением. Эта область называется запирающим слоем.

Объемные заряды создают внутри запирающего слоя электрическое поле, которое препятствует диффузионному току и называется потенциальным барьером – ∆φ₀. График изменения потенциала электрического поля приведен на рис. 18.4, в. Количественно потенциальный барьер оценивают в вольтах, выражением

(18.7)

где – тепловой потенциал, n_i – концентрация собственных носителей.

Электрическое поле между объемными зарядами вызывает направленное движение через переход собственных носителей заряда (электронов и дырок). Такое движение направлено навстречу диффузионному току и называется дрейфовым током. Когда диффузионный и дрейфовый токи выравниваются по абсолютной величине I_диф = I_др, суммарный ток равен нулю, и р-n переход приходит в равновесное состояние.

Таким образом, металлургическая граница между полупроводниками n и р типа является и границей между двумя объемными зарядами – объемным зарядом электронов в р области, и объемным зарядом дырок в n области. При отсутствии внешнего электрического поля разность потенциалов между объемными зарядами ∆φ₀ может иметь значения от 0,6 до 1,2 В. Через р-n переход протекают диффузионные токи I_диф.n и I_диф.р, а также дрейфовые токи I_др.n и I_др.р.

В состоянии равновесия I_диф = I_диф.n + I_диф.р = – I_др = – (I_др.n + I_др.р), т. е. результирующий ток равен нулю. Так как дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному, его называют обратным и обозначают I_о. Величина обратного тока сильно зависит от температуры, поэтому иногда его называют тепловым током, обозначая I_T. Сопротивление р-n перехода определяется сопротивлением запирающего слоя.