Распределение электрического потенциала в объеме полупроводника.

Выделим мысленно бесконечно тонкий слой dx электронного газа, заключенный между плоскостями I и II с координатами х и x+dx. Этот слой будет испытывать со стороны окружающего электронного газа давление Р₁ слева и Р₂ справа. Давление газа, как известно, равно nkT, где n- концентрация частиц этого газа. Обозначим концентрацию электронов в плоскости 1 через n₁ а в плоскости II через n₂. Тогда разность давлений ∆Р на рассматриваемый слой будет равна:

(7.1)

Сила перепада давлений, действующая на слой dx, будет равна:

(7.2)

где s- площадь границ слоя. Знак " - " показывает, что эта сила противоположна направлению вектора градиента концентрации электронов.

Определим силу электрического поля, действующую на тот же слой. Электрический заряд слоя ∆Q равен:

(7.3)

Электрическая сила , действующая на слой, будет равна:

(7.4)

В состоянии равновесия сумма сил, действующих на слой, равна нулю. Следовательно:

или

(7.5)

Так как , то

(7.6)

Решая это дифференциальное уравнение, получим:

(7.7)

Рассуждая аналогично в отношении дырочного газа, найдем, что

(7.8)

Константы интегрирования С1 и С2 определяются как всегда из граничных условий. Начало координат мы поместили в глубине однородной области I полупроводника. Здесь выполняется условие локальной электрической нейтральности и поле отсутствует. Примем потенциал этой области в окрестности начала координат равным нулю. Тогда, подставляя в (7.7) и (7.8) значения x = 0; U = 0; n = n₁; p = p₁, получим С1= n₁, С2 = р₁. Следовательно:

(7.9)

(7.10)

Таким образом, концентрация СНЗ и потенциал в электрическом переходе связаны между собой экспоненциальной зависимостью.

Распределение потенциала в переходе определим, решив уравнение Пуассона. Плотность пространственного заряда в любом слое равна:

(7.11)

или, учитывая (7.9) и (7.10):

(7.12)

Следовательно, уравнение Пуассона будет иметь вид:

(7.13)

Поскольку распределение примесей, т.е. (N_d-N_a) = ƒ(х) известно, то, решая (7.13), найдем U = U(x).

Так как соотношения (7.9) и (7.10) должны быть справедливы для любого элемента объема полупроводника, то, применяя их для второй однородной области, где концентрации электронов и дырок соответственно равны n₂ и p₂ получим, что потенциал этой области U₂ равен:

(7.14)

Разность потенциалов на концах электрического перехода пропорциональна логарифму отношения концентраций однотипных СНЗ в однородных областях полупроводника, разделенных переходом. Эта разность называется контактной разностью потенциалов перехода.

Деба́евская длина (дебаевский радиус) — расстояние, на которое распространяется действие электрического поля отдельного заряда в нейтральной среде, состоящей из положительно и отрицательно заряженных частиц (плазма, электролиты). Вне сферы радиуса дебаевской длины электрическое поле экранируется в результате поляризации окружающей среды (поэтому это явление еще называют экранировкой Дебая).

Дебаевская длина определяется формулой (СГС):

(СИ) :

где: , , — электрический заряд, концентрация частиц и температура частиц типа ; , — постоянная Больцмана и диэлектрическая проницаемость вакуума. Суммирование идет по всем сортам частиц, при этом должно выполняться условие нейтральности: . Важным параметром среды является число частиц в сфере радиуса дебаевской длины: