Электронно-дырочный переход в условиях равновесия (при отсутствии внешнего напряжения)

Основным элементом многих полупроводниковых приборов, таких как диоды, транзисторы, микросхемы, является контакт двух полупроводников с разным типом электропроводности - электронно-дырочный переход, или p-n- переход. Рассмотрим так называемый гомопереход, в котором n- и p- области сформированы в монокристалле одного и того же полупроводника (например кремния). При создании такого контакта в одну часть полупроводникового кристалла вводят доноры, а в другую – акцепторы. Заметим, что используются полупроводники, для котоpых комнатная температура – это область истощения примеси. Тогда в первой части содержится большое количество электронов, а во второй – большое количество дырок.

Наличие градиентов концентрации носителей заряда приводит к их диффузии в области с противоположным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полупроводнике). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника: в p-области после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области - нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем (рис. 5.1а). Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей - устанавливается равновесное состояние. Между n- и p-областями при этом появляется разность потенциалов Dj_кон, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области.

Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (зависимость энергии электрона E от координаты x) при термодинамическом равновесии изображена на рис. 5.2а. Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует (если соответствующие области легированы равномерно) или относительно мало по сравнению с полем в p-n-переходе. Поэтому края энергетических зон вдали от контакта расположены горизонтально. Наличие диффузионного поля приводит к изгибу энергетических зон полупроводника (рис.5.2а). Уровень Ферми устанавливается (при отсутствии внешнего поля) на одинаковой высоте в p- и n-областях.

а) в отсутствие внешнего поля
б) прямое включение
в) обратное включение
Рис. 5.1. Распределение электрических зарядов в p-n-переходе	Рис. 5.2. Энергетические диаграммы p-n-перехода
Ионы примесей: Å - доноры, Q - акцепторы. Подвижные носители заряда: · - электроны, o - дырки, неосновные носители заряда не показаны. - напряженность диффузионного поля, U –внешнее напряжение, приложенное к переходу.

Для носителей возникает потенциальный барьер, высота которого равна ( - заряд электрона, - контактная разность потенциалов). Величина контактной разности потенциалов зависит от концентрации собственных носителей заряда n_i (а значит, и от ширины запрещенной зоны), концентрации примесей, введенных в полупроводник, и температуры

, (5.1.1)

где N_dn – концентрация доноров в n- области, N_ap – концентрация акцепторов в p – области.

По характеру распределения примеси различают резкие и плавные p-n-переходы. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p-n-перехода (толщины области объемного заряда), называют резким p-n-переходом. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси сравнима или больше толщины p-n-перехода, называют плавным p-n-переходом. Вид p-n-перехода зависит от технологии его изготовления. Резкие переходы получают методами вплавления, эпитаксиального наращивания и ионной имплантации, а плавные – методом диффузии примеси.

Прямое включение

Рассмотрим, как изменится распределение зарядов в переходе, если к нему приложить внешнее электрическое поле. Пусть к p-области присоединён положительный полюс источника питания, а к n-области – отрицательный. Такое включение p-n-перехода называется прямым, прямое напряжение принято считать положительным.

Внешнее поле при прямом включении оказывается направленным противоположно диффузионному полю (рис.5.2б). Высота потенциального барьера уменьшается на величину ( - напряжение), она станет равной . При этом часть основных носителей в областях p- и n-, имеющих наибольшую энергию, получают возможность проникать через запирающий барьер в области, где являются неосновными и рекомбинируют. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через p-n-переход. Преодолевшие потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными; другими словами, через p-n-переход происходит инжекция носителей заряда в область, примыкающую к p-n-переходу. Ту область полупроводника, в которую происходит инжекция носителей, называют базой полупроводникового прибора.

Итак, при прямом включении p-n-перехода происходит инжекция носителей, p-n-переход открыт, через него течёт прямой ток.

Обратное включение

Если подключить внешний источник так, что p-область окажется соединённой с «минусом», а n-область - с «плюсом», то внешнее поле будет направлено так же, как и диффузионное (рис.5.1в). Высота потенциального барьера увеличивается, она станет равной . Через барьер смогут пройти только неосновные носители. Так как количество неосновных носителей значительно меньше, чем основных, ток через переход в этом случае будет мал по сравнению с тем, который получился при прямом включении. Это включение называется обратным, обратное напряжение принято считать отрицательным.

Когда к p-n-переходу приложено обратное напряжение, неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в p-n-переход и проходят через него в соседнюю область – происходит так называемая экстракция неосновных носителей.

Таким образом, при обратном включении p-n-перехода происходит экстракция неосновных носителей, p-n-переход «закрыт», через него течёт только малый ток неосновных носителей.