Свойства плоскостного ступенчатого несимметричного p-n-перехода

На практике наибольшее распространение получили p-n-структуры с неодинаковой концентрацией внесенных акцепторной Nа и донорной Nд примесей, т.е. с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях рр » Nа и nn » Nд. Типичными являются структуры с Na >>Nд (рр >> nn ). Рассмотрим свойства плоскостного ступенчатого несимметричного p-n-перехода на примере германия (рис.2.1(А)). Распределение концентраций носителей заряда для такой структуры показано на рис.2.1(B), где принято pp = Nа = 1018см -3, nn= Nд = 1015см –3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при комнатной температуре ni = 1013см –3. В соответствии с (1.10.) концентрации неосновных носителей заряда составят для рассматриваемой структуры nр = ni2р= 108см –3, рn = ni2/nn= 1011см –3, т.е. концентрации неосновных носителей заряда существенно меньше концентраций основных носителей заряда.

В p-n-полупроводнике на границе раздела слоев возникает разность концентраций одноименных носителей заряда, что вызовет диффузионное перемещение дырок из слоя р в слой n и встречное диффузионное перемещение электронов из слоя n в слой р в приграничной области. Вследствие ухода основных носителей из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака, концентрации основных носителей заряда в обеих приграничных областях снижаются. Это приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и появлению нескомпенсированных объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей (положительный объемный заряд в слое n и отрицательный объемный заряд в слое р). Кривая распределения объемного заряда в p-n-переходе представлена на рис.2.1(C). Отсутствие основных носителей заряда справа и слева от границы двух разнотипных полупроводников вызывает резкое увеличение сопротивления этой приконтактной области. Можно ввести эквивалентное определение p-n-перехода: p-n-переход ¾ это область, обладающая повышенным сопротивлением.

Наличие разнотипных зарядов приводит к появлению в приконтактной области потенциального барьера и электрического поля. Саму приконтактную область принято называть запирающим, или обедненным, слоем. Кривые распределения Е(х) и Dj(х) представлены на рис.2.1(D,E).

Диаграммы на рис.2.1. справедливы для ступенчатого несимметричного p-n-перехода, в котором отсутствуют проходящие электрические заряды. Отрицательный заряд в левой части p-n-перехода равен положительному заряду в его правой части:

q×Na×S×d1 = q×Nд×S×d2. (2.1)

Здесь S ¾ площадь p-n-перехода, d1 и d2 ¾ толщины соответствующих слоев, q ¾ заряд электрона. Тогда справедливо выражение:

. (2.2)

Поскольку в рассматриваемом несимметричном p-n-переходе Na>>Nд, то d1<<d2, т.е. переход практически весь располагается в области с меньшей концентрацией (в области n), и ширина p-n-перехода d = d1 + d2 » d2.

Т.о. p-n-переход практически смещается в область, обедненную носителями зарядов, т.е. в слаболегированную область. Ширина p-n-перехода определяется по формуле

, (2.3)

где e = e0×er ¾ диэлектрическая проницаемость, e0 ¾диэлектрическая постоянная воздуха (e0 = 8,86×10 –14Ф/см), er ¾ относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника (для Ge er = 16,7; для Si er = 11,3), Dj0 ¾ высота потенциального барьера:

. (2.4)

Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером j0 будет оказывать ускоряющее действие для неосновных и тормозящее ¾ для основных носителей заряда. Т.о. внутреннее электрическое поле приводит к уменьшению диффузионных токов и способствует протеканию через переход тока неосновных носителей заряда (дрейфового тока).

Плотность диффузионного тока Jдиф, обусловленного движением основных носителей заряда, состоит из потока дырок, перемещающихся под действием диффузии из области р в область n, и потока электронов, диффундирующих из области n в область р:

Jдиф = Jдиф p + Jдиф n , (2.5)

Плотность дрейфового тока Jдр обусловленна движением неосновных носителей заряда прилегающих к p-n-переходу слоев. Неосновные носители области р (электроны) и области n (дырки) за счет хаотичного теплового движения могут случайно попасть в область p-n-перехода, электрическое поле которого будет для них ускоряющим, и переброситься этим полем через p-n-переход. Т.о. плотность дрейфового тока состоит из потока неосновных носителей заряда прилегающих к p-n-переходу слоев и зависит от концентрации неосновных носителей заряда и диффузионной длины.

Jдр = Jдр p + Jдр n , (2.6)

Суммарный ток через переход в установившемся состоянии в отсутствие внешнего напряжения равен нулю. Равенство диффузионной и дрейфовой составляющих тока создается установлением соответствующей величины потенциального барьера в p-n-переходе. Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей и температуры. С ростом температуры при постоянной концентрации примесей высота потенциального барьера уменьшается; с ростом концентрации примесей при неизменной температуре высота потенциального барьера увеличивается.

В результате диффузионного и дрейфового переходов зарядов через р-n-переход выравниваются вероятности заполнения энергетических уровней справа и слева от перехода, поэтому уровень Ферми становится общим для р и n слоев, что приводит к искривлению энергетической диаграммы (рис.2.2). При постоянной концентрации примесей с ростом температуры высота потенциального барьера уменьшается, т.к. уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны.

На процессы, происходящие в p-n-переходе, существенное влияние оказывает величина и полярность внешнего источника напряжения, подключенного к p-n-переходу.








Дата добавления: 2015-12-16; просмотров: 1111;


Поиск по сайту:

При помощи поиска вы сможете найти нужную вам информацию.

Поделитесь с друзьями:

Если вам перенёс пользу информационный материал, или помог в учебе – поделитесь этим сайтом с друзьями и знакомыми.
helpiks.org - Хелпикс.Орг - 2014-2024 год. Материал сайта представляется для ознакомительного и учебного использования. | Поддержка
Генерация страницы за: 0.007 сек.