P_ n переход в равновесном состоянии

P-n переход можно получить высокотемпературной диффузией из газовой фазы вначале доноров, а затем акцепторов (или наоборот), а также сплавлением, эпитаксиальным наращиванием, ионной бомбардировкой. Как следствие, в монокристалле появляются области с электронной и дырочной проводимостями, а между ними - некая переходная область, называемая p-n переходом. Контакт между р - и n -областями полупроводников изображен на рис. 4 для случая неравной концентрации примеси (концентрация доноров больше). Пунктирной линией показана условная – так называемая металлургическая – граница между областями монокристалла с разным типом проводимости. Если p-n переход создается в полупроводнике

одного вида, т.е. p - и n области получены на основе материала, с одинаковой шириной запрещенной зоны, то такие контакты называют гомопереходами, а если приконтактные области созданы на основе материалов с разными по ширине запрещенными зонами – то гетеропереходами.

Возникновение такого контакта, если предполагать, что он осуществился мгновенно, приводит к неравновесному состоянию. Это связано с тем, что в n -области концентрация электронов на порядки больше, чем в p -области, а в

p -области концентрация дырок на порядки больше, чем в n -области. Как следствие, начинается процесс диффузии

основных носителей в соседние области. В результате приграничные области кристалла теряют свою электрическую нейтральность, поскольку заряды неподвижных ионов не компенсируются зарядами противоположного знака, которые имеют подвижные носители – дырки и электроны.

Действительно, когда валентный электрон покидает свой атом-донор и диффундирует в р -область, то в узле решетки вместо

Рис.4. P-n переход в равновесном

состоянии

нейтрального атома остается его положительно заряженный ион. Аналогично, при уходе дырки от акцептора в узле решетки возникает отрицательно заряженный ион. В итоге, в приграничной р -области образуется объемный отрицательный некомпенсированный заряд ионов акцепторов, а в приграничной n -области – объемный положительный заряд ионов доноров (ионы обозначены кружками на рис.4). Следовательно, в области контакта появляется разность потенциалов, называемая контактной разностью U_к и возникает внутреннее электрическое поле с напряженностью ٤ _{к .} Контактная разность потенциалов увеличивается с каждым актом диффузии, приводящей к росту числа ионов примеси, соответственно, растёт и напряжённость внутреннего поля (напряженность поля определяем относительно левого края приграничной n -области в направлении оси x). Поскольку в приграничной p -области находятся некомпенсированные ионы акцепторов, заряженные отрицательно (а в приграничной n -области ионы доноров, заряженные положительно), то после перехода точки x=x₀ происходит уменьшение напряжённости внутреннего поля(заряды компенсируют друг друга), и за пределами переходной области оно становится равным нулю.

Как следует из анализа рис.4, внутреннее поле препятствует процессу диффузии основных носителей, являясь для них потенциальным барьером. По мере роста потенциального барьера ток диффузии уменьшается, а значит, уменьшается и концентрация основных носителей в приграничных областях объемного заряда. Неосновные же нсители, расположенные по обе стороны металлургической границы и находящиеся в области действия сил внутреннего электрического поля, перебрасываются им в соседние области, где они меняют свой статус, становясь основными носителями. Таким образом, ток неосновных носителей является током дрейфа, ибо причиной его возникновения является электрическое поле p-n перехода. При встрече в области перехода, при условии достаточного сближения, основные и неосновные носители могут рекомбинировать, а следовательно, восстанавливать ионы примеси до нейтральных атомов, что вызовет снижение потенциального барьера. Указанное обстоятельство, в свою очередь, приведет к росту тока диффузии, следствием которого вновь произойдет повышение потенциального барьера. Таким образом, неизбежно наступит состояние равновесия, при котором токи дрейфа и диффузии уравновесят друг друга. Следовательно, результирующий ток через переход будет равен нулю.

Диффузия основных электронов в p -область вызывает понижение уровня Ферми в n-области, поскольку её в первую очередь покидают наиболее энергичные электроны. В то же время диффузия основных дырок в n-область, напротив, приводит к его повышению, поскольку доля активных электронов в p -области растёт. Процесс изменения положений уровней Ферми заканчивается, когда они становятся равными, и, как следствие, наступает состояние равновесия.

Поскольку в равновесном состоянии уровень Ферми должен быть единым для всего монокристалла (обозначен горизонтальной пунктирной линией на рис.4), то происходит искривление энергетических зон так, как показано на рис.4 внизу (сопоставьте с рис.3).

Поскольку неосновные носители являются своего рода «регуляторами» высоты потенциального барьера, то концентрация носителей тока в области перехода чрезвычайно мала (мала концентрация неосновных носителей), поэтому области объемных некомпенсированных зарядов – ионов примеси и область p-n - перехода в целом имеют чрезвычайно низкую проводимость. По этой причине их называют обедненными или высокоомными областями.

Если обозначить ширину p - и n - областей как l _p и l _n соответственно, то общая ширина обедненной области составит l= l _p +l _{n .} Поскольку проводимость ее чрезвычайно мала, подвижные носители в пределах обедненной области на рис.4 не показаны. Обозначены лишь (кружками) ионы примеси. Участки кристалла, расположенные за пределами обедненной области, имеют высокую проводимость и в целом электрически нейтральны, поэтому на рисунке заряды в этих областях не показаны.

Обедненный слой шириной l в целом также электрически нейтрален: отрицательный заряд в p -области Q ^- = eN_аl_рS равен положительному заряду в n-области Q ⁺ = eN_дl_nS (N_а,.N_д – концентрации ионов акцепторов и доноров соответственно, S – площадь перехода). Из условия непрерывности на границе раздела (Q ^- = Q⁺) следует l _n/l _p=N_а/N_{д .} Если концентрация примеси в n - и p - областях одинакова, то N_а = N_д и l_p = l_{n .} Такой переход называют симметричным. Однако, на практике чаще всего используют несимметричные переходы. У несимметричных переходов концентрации примеси в p - и n -областях отличаются на несколько порядков. Если, к примеру, N_д ›› N_а, то l_p ›› L_n и l_p ≈ l, как это имеет место на рис.4, т.е. обедненный слой в основном сосредоточен в области с меньшей концентрацией примеси. Эту область называют базой, а область с большей концентрацией примеси – эмиттером.

На рис.4Ɛ схематически изображен кристалл примесного полупроводника с созданным в нем несимметричным переходом, причем, роль эмиттера играет n -область. Показан (сверху вниз) график изменения концентрации носителей и напряженности ٤ _к внутреннего электрического поля в переходе как функции x – n(x), p(x) и ٤ _к (x), а также потенциальные диаграммы для зоны проводимости и валентной зоны. Переход находится в равновесном состоянии, в обедненной области действует внутреннее поле, обусловленное контактной разностью потенциалов, а результирующий ток через переход I _пер равен нулю, т.к. ток диффузии I _дифф равен току дрейфа I _др, и оба тока имеют противоположное направление, таим образом:

(11)