Электрическая структура p-n-перехода в состоянии термодинамического равновесия

Модель p-n-перехода в состоянии термодинамического равновесия.

Диаграмма энергетических уровней p-n-перехода

Электронно-дырочный переход (p-n-переход) – это неоднородная структура, состоящая из двух полупроводниковых областей (слоев) с различным типом проводимости и обладающая выпрямительными свойствами. Он служит важной составной частью многих дискретных полупроводниковых приборов и интегральных микросхем, является важнейшим объектом изучения в современной физике полупроводников.

Электрическая структура p-n-перехода в состоянии термодинамического равновесия

Из методических соображений предположим вначале для простоты, что p-n-переход образуется путем механического контакта между двумя образцами электронного и дырочного полупроводников (рис.1).

Рис. 1. Одномерная модель резкого p-n-перехода. и – границы области пространственного

заряда, имеющей на практике толщину от 10^-6 до 10^-4 см.

В полупроводнике с областями p- и n- типов, образующими переход, можно выделить следующие пространственные области (рис. 1):

1 – металлургический переход (контакт) – воображаемая плоскость, разделяющая p- и n- области;

2 – область перехода или область пространственного заряда, или обедненная область – располагается по обе стороны металлургического перехода и имеет толщину от 10^-6 до 10^-4 см в зависимости от технологии производства;

3 – нейтральные области (p- и n- области), лежащие между областью пространственного заряда и границами полупроводников p- и n- типов;

4 – омические контакты, которыми оканчиваются нейтральные области.

В зависимости от характера распределения примесей различают два крайних (идеальных) случая – резкий (ступенчатый) и плавный p-n-переходы. В резком p-n-переходе концентрации акцепторов и доноров изменяются скачком на границе раздела p- и n- областей (рис. 1), а в плавном переходе их концентрация является некоторой функцией расстояния. Относительно резкий p-n-переход можно создавать в кристалле при вплавлении примеси, плавный – при диффузии. В дальнейшем будет построена модель резкого перехода. Заметим, что резкий переход не является структурой, типичной для современных приборов. Тем не менее, такая упрощенная модель позволяет проанализировать наиболее важные характеристики, например, вольт-амперные. При этом внутренние физические процессы и электрические свойства перехода лишь в малой степени зависят от способа его изготовления.

В случае резкого перехода предполагается, что концентрации акцепторов в p-области и доноров в n-области постоянны. Если , то резкий переход называют симметричным. Если же , то переход называется несимметричным. При переход обозначают как p⁺-n, при говорят о p-n⁺-переходе (этот случай на практике встречается чаще).

Зонная диаграмма p-n-перехода. Основные понятия

При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия через плоскость металлургического контакта. Диффузия продолжается до тех пор, пока не сравняются уровни Ферми обеих областей кристалла, как показано на рис. 2. На данном рисунке – контактная разность потенциалов, – высота потенциального барьера, – толщина области перехода, – напряженность внутреннего электрического поля, – разность работ выхода.. В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника.

В p-области вблизи металлургического контакта после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные связанные заряды), а в n-области – нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные связанные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле напряженностью , называемое внутренним диффузионным электрическим полем. Соответственно между границами области пространственного заряда существует контактная разность потенциалов .

Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через металлургический контакт, т.е. устанавливается равновесное состояние p-n-перехода.

Высота потенциального барьера равна разности работ выхода:

. (1)

На рис. 2б видно, что в p-n-переходе вследствие изгиба энергетических зон возникает потенциальный барьер , препятствующий диффузионному потоку носителей.

Вследствие диффузии p-n-переход обеднен свободными носителями заряда и обладает повышенным сопротивлением, т.е. p-n-переход представляет собой запирающий слой.

Таким образом, электронно-дырочный переход в состоянии термодинамического равновесия обладает следующими свойствами.

1. Вблизи металлургического контакта образуется область пространственного заряда (ОПЗ), состоящая из двух разноименно заряженных слоев с объемной плотностью заряда Q.

2. Наличие области пространственного заряда обусловливает существование в p-n-переходе внутреннего диффузионного электрического поля и соответствующей контактной разности потенциалов .

3. P-n-переход имеет толщину d, определяемую концентрацией донорных и акцепторных примесей. Под шириной (толщиной) перехода понимают толщину ОПЗ или обедненной области, которая составляет в зависимости от технологии изготовления перехода.

4. P-n-переход обеднен свободными носителями заряда и поэтому обладает повышенным сопротивлением. Иными словами, p-n-переход при определенных условиях представляет собой запирающий слой.

Рис. 2. Зонная диаграмма p-n-перехода до и после воображаемого «соприкосновения» слоев.