Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочным переходом называют область вблизи контакта полупроводников с электронной и дырочной электропроводностью, обедненную основными носителями заряда.

Рассмотрим процесс образования p-n-перехода с помощью рис. 1.5 а, б.

а

б

Рис. 1.5

После контакта полупроводников p- и n- типа происходит диффузионное движение носителей вследствие разности их концентрации: дырок из области p в n- область и электронов n- области в полупроводник с электропроводностью р- типа. После ухода основных носителей из приконтактной области возникает нескомпенсированный заряд ионов примесей, неподвижно расположенных в узлах кристаллической решётки: в р- области – отрицательный, в п- области – положительный. В приконтактном слое возникает при этом электрическое поле Е_диф, препятствующее дальнейшему перемещению основных носителей и создающее движение неосновных носителей заряда. При некоторой величине поля Е_диф. устанавливается состояние равновесия, характеризующееся энергетической диаграммой рис. 1.5, б. Величина энергии в области объёмного заряда

qφ_K = (W_i – W_F)_P + (W_F – W_i)_n (1.7)

Для невырожденных полупроводников распределение концентрации примесей имеет вид:

n_n0 = n_i exp((W_F – W_i) / kT) (1.8)

P_p0 = P_i exp((W_i – W _F) / kT) (1.9)

Из выражений (1.7) – (1.9) найдём контактную разность потенциалов φ_K = kT/qln (n_n0 P_p0 / n_i²) (1.10)

или, учитывая, что n_p0 P_p0 = n_i², а n_n0 P_n0 = n_i², получим

φ_K = kT/q ln (n_n0 / n_p0) = kT/q ln (P_p0 / P_n0) (1.11) В приведенных выше выражениях индекс "i" относится к чистому полупроводнику.

Внешнее напряжение в зависимости от его полярности может быть направленно либо навстречу диффузионному полю, либо в ту же сторону.

Если приложить внешнее поле плюсом к p- области, а минусом к n- области (рис. 1.6, а, б), то результирующее поле ослабевает, что приводит к передвижению основных носителей через p - n- переход, создающих так называемый прямой ток. Толщина р-n- перехода при этом уменьшается.

а

б

Рис. 1.6

При изменении полярности внешнего напряжения получается совпадение направлений внутреннего и внешнего полей; суммарное поле, тормозящее перемещение через переход основных носителей, возрастает, а неосновные носители ускоряются и создают обратный ток очень малой величины.

Основные носители уходят вглубь р- и n- областей, что приводит к расширению области объемного заряда в приконтактном слое (рис. 1.7, а, б).

а а, б

б

Рис. 1.7

Подставляя в формулу (1.11) вместо контактной разности потенциала значение высоты потенциального барьера, соответствующее нарушению равновесия, получаем

(φ _K ± U_ВН ) = kT / q[ln (P_P0 / P_n)] (1.12)

Знак минус соответствует прямому включению перехода; P_n – неравновесная концентрация инжектированных дырок на границе n области при X= X_n.

Решение уравнений (1.11) и (1.12) относительно P_n0 и P_n дает следующий результат:

P_n0 = P_P0 exp (– qφ _K/kT);

P_n = P_P0exp (–q (φ _K ± U_ВН )/ kT) =

=P_n = P_P0 exp (–qφ _K/ kT) exp q( ± U_ВН ) / kT) .

Откуда

P_n = P_n0 exp q( ± U_ВН ) / kT) (1.13)

Решение выражения (1.12) для концентрации электронов дает отношение неравновесной концентрации электронов, инжектированных в p- область, на границе X = –X_p:

n_P = n_P0exp q( ± U_ВН ) / kT) (1.14)

В уравнениях (1.12) – (1.14) знак плюс соответствует прямому напряжению, а знак минус – обратному. Концентрации неосновных носителей в условиях равновесия n_P0 и p_n0 зависят от концентрации ионизированных примесей N_A и N_Д:

n_P0 = n_i² / N_A , p_n0 = n_i² / N_Д . (1.15)

Обратное включение предполагает подачу плюса источника питания на n- область и минуса источника питания на p- область (рис. 1.7). Тогда полярность обратного напряжения совпадает с контактной разностью потенциалов. Высота энергетического барьера становится больше по сравнению с условиями равновесия:

qφ_К < q(φ_К + U_ОБР) (1.16)

Результирующее электрическое поле увеличивается по сравнению с условиями равновесия:

E = E_K + E_ОБР (1.17)

Увеличение J_Pдиф высоты барьера приводит к тому, что все основные носители оказываются на уровнях с энергией, не превышающей высоты энергетического барьера. Диффузионная составляющая тока оказывается равной нулю. Ток обратновключенного p-n- перехода определяется процессом дрейфа. Процесс выведения подвижных носителей заряда из областей полупроводника (где они являются неосновными) под действием ускоряющего поля p-n- перехода, созданного внешним обратным напряжением, называется экстракцией.