Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

Область на границе двух полупроводников с различными типами электропроводности называется электронно-дырочным или p-n-переходом. Электрон­но-дырочный переход обладает несимметричной проводимостью, т. е. имеет нели­нейное сопротивление. Работа большинства полупроводниковых приборов (диоды, транзисторы и др.) основана на использовании свойств одного или нескольких р-n -переходов.

Пусть внешнее напряжение на переходе отсутствует (рис. 2.1). Из полупроводника п -типа в полупроводник р -типа диффундируют электроны, а в обратном направлении из полупроводника р -типа в полупроводник n -типа диффундируют дырки. Это диффузионное перемещение электронов и дырок показано на рис. 2.1,а стрел­ками. Кружки с плюсом и минусом изображают атомы донорной и ак­цепторной примеси, заряженные соответственно положительно и отрицательно.

Рис. 2.1. Электронно-дырочный переход при отсутствии внешнего напряжения

В результате в области п возникает неподвижный положительный объемный заряд. Подобно этому в области р возникает отрицательный неподвижный объемный заряд. Между образовавшимися объемными зарядами возникают так называемая контактная разность потенциалов:

φ₀ = φ_n - φ_p

и электрическое поле (вектор напряженности Е_к). На рис. 2.1,бизображена потенциальная диаграмма р-п -перехода, когда внешнее напряжение к переходу не приложено.

Как видно, в р-n -переходе возникает потенци­альный барьер, препятствующий диффузионному пере­ходу носителей. На рис. 2.1,бизображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии переме­щаться слева направо (из области п в область р).

Высота барьера равна контактной разности потен­циалов и обычно составляет десятые доли вольта. Для германия, например, при средней концентрации примесей φ₀= 0,3-0,4 В и d = 10^-4-10^{-5 см, а при} небольших концентрациях, создаваемых в кремниевых приборах, φ₀≈0,7 В и d = 10^{-6 см.}

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием элек­трического поля контактной разности потенциалов. Это поле перемещает дырки из n -области обратно в р -облгсть и электроны из р -области обратно в п -область. На рис. 2.1,а такое перемещение неосновных носителей, представляющее собой их дрейф, показано также стрелками. При постоянной темпера­туре р-n -переход находится в состоянии динамического равновесия.

Перемещение носителей за счет диффузии является диф­фузионным током (I_диф), а движение носителей под действием поля представ­ляет собой ток дрейфа (I_др). В установившемся режиме, т. е. при динамическом равновесии перехода, эти токи равны и противоположны по направлению. Поэтому полный ток через переход равен нулю, что и должно быть при отсутствии внешнего напряжения.

На рис. 2.1,впоказано распределение концентрации носителей в р-n пе­реходе. Взяты значения концентраций, характерные для германия. Так как концентрации основных и неосновных носителей отличаются друг от друга в миллионы раз, то по вертикальной оси концентрации отложены в логарифмическом масштабе.

Концентрации примесей в областях пир обычно бывают различными. Именно такой случай показан на рис. 2.1,в. В полу­проводнике п -типа концентрации основных и неосновных носителей взяты со­ответственно n_n = 10¹⁸ и p_n = 10⁸ см^-3, а в полупроводнике р- типа кон­центрация примесей меньше, и поэтому p_p = 10¹⁶ и n_p = 10¹⁰ см^-3.

Как видно, в р-n -переходе концентрация электронов плавно меняется от 10¹⁸ до 10¹⁰ см^-3, а концентрация дырок — от 10¹⁶ до 10⁸ см^-3. В ре­зультате этого в средней части перехода образуется слой с малой концен­трацией носителей (обедненный носителями слой). Например, на самой границе концентрация электронов составляет 10¹⁴ см^-3, т. е. она в 10000 раз меньше, чем в области п, а концентрация дырок равна 10¹² см^-3, и она тоже в 10000 раз меньше, чем в области р. Соответственно и удельная электрическая прово­димость р-n -перехода будет во много раз меньше, чем в остальных частях об­ластей рип.

Таким образом в р-n -переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов р- и п -полупроводников.