Преподаватель

Выполнила

Студентка группы КФ-08

Эйдук О.Б.

Кобелева С.П.

Контакт электронного и дырочного полупроводников

При образовании контакта между полупроводником с разным типом электропроводности в области p-n перехода будет существовать большой градиент концентрации электронов и дырок. В результате начинается диффузия электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n- область. Возникновение диффузионных потоков приведёт к разделению зарядов, вследствие чего появится положительный объёмный заряд в n-области, примыкающей к переходу, и отрицательный ­— в p-области около перехода. Эти объёмные заряды в области контакта создадут сильное электрическое поле, направленное от n-области к p-области и препятствующее движению электронов и дырок. В результате установится равновесное состояние, которое будет характеризоваться постоянством уровня Ферми для всего полупроводника, а в области перехода, где имеется электрическое поле, зоны энергии будут искривлены. Искривление зон энергии вызовет перераспределение концентрации электронов и дырок и изменит ход электростатического потенциала в области p-n перехода.

Как построить энергетическую диаграмму?

Принципы построения на примере гетероструктуры I типа.

Построение гетероструктуры п/п—п/п

I. Построение диаграммы «До контакта»

1. Повести вертикальную черту: границу между n- и p-типом полупроводников. Подписать сверху, где какой тип будет изображён.

2. Вверху провести горизонтальную линию: общую энергию вакуума E_вак. До контакта она будет общая.

3. Выбрать масштаб построения диаграммы (например: «0,2 эВ = 2 □»).

4. Отложить вниз для каждого типа полупроводника его значение сродства к электрону χ в соответствующем масштабе. Это будет уровень дна зоны проводимости E_c, который также проводится горизонтальной чертой отдельно для каждого полупроводника, не доводя до границы раздела материалов. Поскольку для большей наглядности масштаб обычно выбирается большим (см. 3 п.), удобно будет на диаграмме сократить расстояние от уровня энергии вакуума E_вак до дна зоны проводимости E_c на какое-то фиксированное расстояние для обоих типов полупроводников (для расчётов, однако, берётся изначальное значение сродства!).

5. От уровня дна зоны проводимости отложить вниз значение ширины запрещённой зоны ΔE_g. Обозначить его горизонтальной чертой, не доходящей до границы раздела материалов, отдельно для каждого типа полупроводника. Это будет потолок валентной зоны E_v.

6. Для n-типа:

От уровня дна зоны проводимости E_c вниз отложить положение уровня Ферми F данного материала, проведя горизонтальную линию, не доходящую до границы раздела материалов.

Для p-типа:

От уровня потолка валентной зоны E_v вверх отложить положение уровня Ферми F данного материала, проведя горизонтальную линию, не доходящую до границы раздела материалов.

7. Обозначить расстояние между уровнями дна зоны проводимости ΔE_c, между уровнями потолка валентной зоны – ΔE_v, между уровнями Ферми – eФ_k(контактная разность потенциалов). ΔE_c и ΔE_v будут оставаться постоянными и при контакте материалов, и при приложении прямого/обратного смещения. По ним можно проверить правильность построения диаграмм.

II. Построение диаграммы «Контакт».

1. Повести вертикальную черту: границу между n- и p-типом полупроводников. Подписать сверху, где какой тип будет изображён.

2. В области n- и p-типа полупроводников также провести на равном расстоянии от границы материалов вертикальные линии: области пространственного заряда ОПЗ.

3. Провести горзонтальной чертой общий уровень Ферми F так же, как проводили до этого общую энергию вакуума. При контакте он будет общий.

4. Опираясь на уже построенную диаграмму до контакта, отложить от уровня Ферми вверх и вниз значения расстояний его до дна зоны проводимости E_c и потолка валентной зоны E_v соответственно, провести их горизонтальными чертами, доходящими до границы ОПЗ для обоих типов полупроводников. Точно так же отложить энергии вакуума E_вак для обоих материалов. Теперь они будут на разных уровнях!

5. Соединить энергии вакуума плавной линией внутри ОПЗ.

6. Параллельно линии, соединяющей уровни энергий вакуума, провести линии искривления дна зоны проводимости и потолка валентной зоны внутри ОПЗ до границы раздела материалов для каждого из типов полупроводников.

7. Проверка: расстояния между пересечениями линии раздела материалов искривлёнными зонами E_с и E_v внутри ОПЗ должны сохраниться теми же, что и до контакта (см. 7 п., I разд.)

8. Разница между исходным положением E_с, Е_v и E_вак и пересечением искривлённой линией границы раздела материалов будет равна контактной разности потенциалов для данного материала с данным типом проводимости:

n-тип: eФ_kn

p-тип: eФ_kp

Возникшее внутреннее поле будет направлено от n к p (от + к -)

III. Построение диаграммы «Прямое смещение»

1. Аналогично диаграмме «Контакт».

2. Аналогично диаграмме «Контакт».

3. Провести горизонтальные черты, отмечающие уровни Ферми F для n- и p-типов. Расстояние между ними равно величине приложенного прямого смещения, откладывается в соответствии с выбранным масштабом. Поле прямого смещения направлено противоположно внутреннему полю.

На положительном полюсе внешнего электрического поля (пря прямом смещении – p-область) уровень Ферми лежит ниже.*

* При прямом смещении уровень Ферми n-типа всегда будет уходить вверх, а p-типа – вниз.

4. Относительно уровня Ферми достроить E_c и E_v, а также энергии вакуума E_вак до границы ОПЗ для n- и p-типов.

5. Аналогично диаграмме «Контакт».

6. Аналогично диаграмме «Контакт». (Расстояния ΔE_c и ΔE_v должны оставаться постоянными!)

7. Уровни Ферми соединить в области ОПЗ на манер петли гистерезиса.