Физические процессы в p-n переходе

Рассмотрим физические процессы в плоском p-n переходе, находящемся в равновесном состоянии, т.е. при нулевом внешнем напряжении на переходе (рис. 7,а) и при условиях, что

- на границе раздела р- и n- областей отсутствуют механические дефекты и включения других химических веществ;

- при комнатной температуре все атомы примеси ионизированы, т.е. p_p = N_n, n_n = N_д;

- на границе р-n перехода тип примеси резко изменяется.

Так как концентрация электронов в n-области намного больше их концентрации в р-области, а концентрация дырок в р-области намного больше чем в n-области (( и , как показано на рис. 7,б, то на границе раздела полупроводников возникает градиент (перепад) концентрации подвижных носителей заряда (дырок и электронов): .

Под его действием заряды будут диффундировать из области с более высокой концентрацией в область с пониженной концентрацией. Направленное движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объеме полупроводника, называется диффузионным движением. Это движение зарядов (основных носителей) образует диффузионный ток р-n перехода, содержащий две составляющие: электронную и дырочную,- плотность которых определяется из соотношений

; (5)

, (6)

где D_n – коэффициент диффузии электронов;

D_р – коэффициент диффузии дырок;

q – заряд электрона.

Коэффициент диффузии показывает количество носителей заряда, пересекающих в единицу времени единичную площадку, перпендикулярную к выбранному направлению, при величине градиента концентрации в этом направлении, равном единице.

Рисунок 7

В результате протекания диффузионного тока граничный слой обедняется подвижными носителями заряда. В приконтактной области n-типа появляется нескомпенсированный малоподвижный положительный заряд за счет ионов донорной примеси, а в р-области – отрицательный заряд за счет ионов акцепторной примеси.

Таким образом, на границе р- и n-областей возникает двойной слой объемного пространственного заряда, наличие которого приводит к образованию электрического поля, напряженность которого равна Е_диф. Это поле препятствует дальнейшему протеканию диффузионного тока (тока основных носителей). Поскольку обедненный слой обладает малой электропроводностью (в нем практически отсутствуют подвижные носители заряда), то он называется запирающим слоем или областью объемного заряда.

В n- и р-областях полупроводника, кроме основных носителей, существуют неосновные: дырки в n-области и электроны в р-области. Неосновные носители совершают тепловое движение (дрейф) и перемещаются к запирающему слою р-n перехода. Их перемещение характеризуется подвижностью μ. Подвижность равна средней скорости , приобретаемой носителями заряда в направлении действия электрического поля с напряженностью Е = 1 В/м.

Поле р-n перехода является ускоряющим для неосновных носителей заряда. Электроны (неосновные носители р-области), подойдя к переходу, подхватываются электрическим полем и перебрасываются в n-область, а дырки n-области – в р-область. Дрейф неосновных носителей вызывает появление электронной и дырочной составляющих тока дрейфа, плотность которых определяется из соотношений:

; (7)

, (8)

где n – количество электронов;

р – количество дырок.

Полная плотность тока дрейфа, создаваемая неосновными носителями, называется тепловым током и равна:

. (9)

При комнатной температуре некоторое количество основных носителей заряда обладает энергией, достаточной для преодоления поля запирающего слоя, и протекает незначительный диффузионный ток. Этот ток уравновешивается дрейфовым током. Поэтому при отсутствии внешнего поля в р-n переходе устанавливается термодинамическое равновесие токов. Ток диффузии уравновешивается дрейфовым током.