Новини освіти і науки:

G+

Тлумачний словник
Авто
Автоматизація
Архітектура
Астрономія
Аудит
Біологія
Будівництво
Бухгалтерія
Винахідництво
Виробництво
Військова справа
Генетика
Географія
Геологія
Господарство
Держава
Дім
Екологія
Економетрика
Економіка
Електроніка
Журналістика та ЗМІ
Зв'язок
Іноземні мови
Інформатика
Історія
Комп'ютери
Креслення
Кулінарія
Культура
Лексикологія
Література
Логіка
Маркетинг
Математика
Машинобудування
Медицина
Менеджмент
Метали і Зварювання
Механіка
Мистецтво
Музика
Населення
Освіта
Охорона безпеки життя
Охорона Праці
Педагогіка
Політика
Право
Програмування
Промисловість
Психологія
Радіо
Регилия
Соціологія
Спорт
Стандартизація
Технології
Торгівля
Туризм
Фізика
Фізіологія
Філософія
Фінанси
Хімія
Юриспунденкция

Розподіл густини об’ємного заряду та концентрації носіїв заряду в р-n-переході

Фізичні процеси в затемненому р-n-переході

В монокристалі германію, кремнію чи іншого напівпровідника, легованого при вирощуванні можна створити такий розподіл домішки, що одна частина кристалу буде напівпровідником n-типу, а інша – напівпровідником р-типу. Таким чином, в деякій досить тонкій області (на границі розділу двох напівпровідників) може спостерігатися перехід від n-типу до р-типу. Ця область розглядається як контакт електронного і діркового напівпровідників.

Електронно-дірковим переходом називають шар напівпровідника, який розміщується по обидві сторони від границі розділу р- і n-областей, який збіднений основними носіями заряду і який являє собою запірний шар. В залежності від характеру розподілу домішки розрізняють два ідеальних випадки – різкий і плавний р-n-переходи. В різкому переході концентрація акцепторів і донорів змінюється стрибкоподібно на границі розділу р- і n-областей, а в плавному переході їх концентрація є лінійною функцією відстані (рис.1). Різкий р-n-перехід можна створювати в кристалі при вплавленні домішки.

Рис. 1.1 Розподіл концентрації акцепторів N_a і донорів N_d в несиметричному
різкому (а) і плавному (б) р-n-переході

Оскільки на границі розділу областей існує градієнт концентрації вільних носіїв заряду, то буде проходити процес дифузії електронів в р-область і дірок в n-область. Це призводить до збіднення основними носіями заряду при- граничних шарів і до виникнення об’ємних зарядів протилежного знаку. В різкому р-n-переході утворюються збіднені шари ступінчатого об’ємного заряду, в плавному – лінійного об’ємного заряду (рис.2). На рис. 1 і 2 показано випадок, коли концентрація акцепторів в дірковій області більша ніж концентрація донорів в електронній області.

Рис. 1.2 Розподіл густини об’ємного заряду ρ в несиметричному
різкому (а) і плавному (б) р-n-переходах

Відповідно товщини шарів знаходяться в оберненому співвідношенні. Можливе і обернене співвідношення концентрацій донорів і акцепторів. Сума об’ємних зарядів в р- і n-областях рівна нулю, тобто площі під кривими ρ(x) рівні між собою.

В теорії р-n переходу зазвичай вважають, що концентрація рівноважних носіїв заряду в напівпровіднику поза р-n-переходом рівна концентрації домішок, тобто останні повністю іонізовані. Рівноважна концентрація електронів n_n0 в нейтральній n-області, рівна N_Д, а рівноважна концентрація дірок р_р0 в нейтральній р-області рівна N_a:

. (1.1)

Для рівноважних концентрацій завжди справедливий закон діючих мас, тому, якщо р-n-перехід створений в монокристалі, то добуток концентрацій основних і не основних носіїв заряду в обох частинах р-n-переходу одинаковий і рівний n_i² для даного напівпровідника при даній температурі:

. (1.2)

Область р-n-переходу збіднена основними носіями заряду. На рис. 1.3 зображені криві концентрацій основних і неосновних носіїв заряду по обидві сторони від різкого р-n-переходу і в самому переході.

d_p

d_n

Рис. 1.3 Розподіл концентрації основних і неосновних носіїв
зарядів в несиметричному різкому р-n-переході

Для різкого переходу об’ємний заряд в електронній частині визначається як постійна величина:

; (1.3)

для плавного – відповідно у вигляді лінійної функції:

, (1.4)

де А_n – градієнт концентрації домішок (донорів), які всі є іонізованими.

В дірковій частині р-n переходу маємо:

; (1.5)

. (1.6)

Формули відповідають ідеальному випадку, в дійсності ж об’ємний заряд може дещо відрізнятися від цих значень (див. рис. 1.2).

1.2 Зонна схема рівноважного стану р-n переходу. Контактна різниця потенціалів в р-n-переході

При відсутності зовнішньої напруги р-n-перехід знаходиться в рівновазі. Дифузійні струми основних носіїв заряду зрівноважуються дрейфовими струмами неосновних носіїв заряду, так, що повний струм через р-n-перехід рівний нулю.

На рис. 1.4, а приведена зонна схема для рівноважного стану р-n-переходу. Рівень Фермі являється спільним для всіх областей напівпровідника, дно зони провідності в дірковому напівпровіднику Е_срзаймає найвище положення, що відповідає малій концентрації електронів, оскільки рівень Фермі розміщується далеко від Е_ср (нижче Е_ір).

Рис. 1.4 Зонна схема рівноважного стану несиметричного р-n-переходу (а)
і зміна потенціалу в р-n переході (б)

Відмітимо, що хід потенціалу протилежний зміщенню зон, так що потенціал в електронній частині напівпровідника найвищий, а в дірковій найнижчий. При переході із n- в р-область потенціал зменшується на величину контактної різниці потенціалів (рис. 1.4, б). Але і вигин зон може характеризу-вати цю різницю потенціалів, при чому він рівний:

. (1.7)

Крім того,

(1.8)

; (1.9)

. (1.10)

Із співвідношень (1.9) і (1.10) знаходимо величини Е_ф - Е_і_n і Е_ір - Е_фі підста-вляємо в (1.8). Звідси:

. (1.11)

З останньої формули видно, що чим сильніше леговані обидві області напівпровідника (чим більші n_n₀і р_р0), тим більша контактна різниця потенціалів. Максимальне значення еV_кв невироджених напівпровідниках можна визначити безпосередньо по діаграмі рис. 1.4, а, так що

; (1.12)

тобто рівна ширині забороненої області. В звичайних ж умовах . На основі (1.11) можна отримати формули, які будуть виражати рівноважні концентрації неосновних носіїв заряду через рівноважні концентрації основних носіїв заряду в протилежних областях і контактну різницю потенціалів:

; (1.13)

. (1.14)

Розглянемо тепер, як буде змінюватись зонна діаграма при накладанні на
р-n-перехід зовнішньої напруги. Згадаємо, що „плюс” зовнішнього джерела опускає рівні енергії в зонній діаграмі, а „мінус” – піднімає. Крім того, при накладанні поля порушується рівновага і рівні Фермі замінюються на квазірівні. Полем в товщині напівпровідника нехтуємо, тобто вважаємо, що зони йдуть горизонтально. Це означає, що практично вся зовнішня напруга спадає на р-n-переході. На рис. 1.5 приведені зонні діаграми р-n-переходу в рівновазі (рис.1.5, а), при прямому (рис. 1.5, б) і зворотному (рис. 1.5, в) включенні.

Рис. 1.5 Зонна діаграма для рівноважного стану (а), при прямому (б)
і зворотному (в) включенні симетричного р-n переходу

При накладанні зовнішнього поля в прямому напрямку вигин зон на р-n переході зменшується і рівний . Тут φ_n і φ_р – зміна потенціалу в n- і р-областях. Квазірівні Фермі для основних носіїв заряду в n-області (Е_Ф_n) і основних носіїв заряду в р-області (Е_Фр) зміщуються один відносно одного на еV, тобто:

Для тонкого р-n-переходу можна вважати квазірівень Е_Ф_n незмінним по всій n-області, а також у всьому р-n-переході. Навпаки, квазірівень Е_Фр можна вважати однаковим в р-області і у всьому р-n-переході. Як показують розрахунки, зміщення квазірівнів Е_Ф_n і Е_Фр в р-n-переході в порівнянні з їх положенням в n- і р-областях лежить в межах величини kT, так що цим зміщенням зазвичай нехтують. Пунктирними лініями умовно нанесені квазірівні Фермі для неосновних носіїв заряду в кожній із областей. На відстані від р-n-переходу вони співпадають з квазірівнями для основних носіїв заряду, тобто рівнями Фермі для кожної із областей.

При накладанні зовнішнього поля в зворотному напрямку (рис. 1.5, в) вигин зон на р-n переході збільшується і рівний е(V_к+V_зв) , де V_зв – частина

зовнішньої напруги, яка спадає на р-n-переході. Якщо вважати зворотну напругу від’ємною і позначити її через V, то вказаний вигин зон буде е(V_к– V) = (φ_n + φ_p)e. Квазірівні Фермі зміщуються так, що залишається справедливим (15), тільки обидві частини цього рівняння від’ємні.

Читайте також:

<== попередня сторінка	\|	наступна сторінка ==>
Теорія випрямлення на контакті напівпровідник-метал	\|	Розподіл напруженості поля і електростатичного потенціалу в р-n-переході

Не знайшли потрібну інформацію? Скористайтесь пошуком google:

Генерація сторінки за: 0.005 сек.