Электронно-дырочный переход

Электронно-дырочный переход или p-n-переход является основой большинства полупроводниковых приборов. Этот переход образуется при контакте двух однородных полупроводников с разным типом проводимости. Получение p-n-перехода механическим способом представляет значительные трудности, поэтому на практике его получают, как правило, усовершенствованным диффузным методом, используя планарную (planer – плоский) технологию. В этом методе p-n-переход получают введением примеси p-типа в исходный материал n-типа путем диффузии с поверхности при высокой температуре, при этом возможен точный контроль распределения примеси и геометрии перехода.

Пусть симметричный p-n-переход образован кристаллами Si (или Ge) p- и n-типа с плоскостью контакта Х=0 (рис. 6а). симметричность p-n-перехода означает, что концентрация доноров в полупроводнике n-типа и концентрация акцепторов в полупроводнике p-типа равны, = . При комнатной температуре все примесные атомы ионизированы, поэтому концентрация электронов в полупроводнике n-типа , а концентрация дырок в полупроводнике p-типа . Следовательно . На (рис. 6б) представлено распределение концентрации носителей в p-n-переходе.

Из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа диффундируют электроны, а в обратном направлении дырки, такой ток называется диффузионным . В результате диффузии носителей по обе стороны границы раздела полупроводников создаются объемные заряды различных знаков. Между образовавшимися объемными зарядами возникает контактная разность потенциалов и электрическое поле препятствует диффузии основных носителей. В p-n-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей (рис. 6в). Высота барьера равна контактной разности потенциалов и составляет десятые доли вольта.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит обратное перемещение неосновных носителей под действием контактной разности потенциалов, которое для них является ускоряющим. Это поле перемещает поле из n-области в p-области и электроны из p-области в n-область. Такое перемещение неосновных носителей под действием поля, представляет собой дрейф носителей ().

При динамическом равновесии перехода .

Если к p-n-переходу приложить внешнее напряжение , как показано на рис. 7,а, p-n-переход смещается в прямом направлении, внутренне поле перехода уменьшается. Потенциальный барьер также уменьшается и равен , соответственно уменьшается сопротивление p-n-перехода, что эквивалентно уменьшению ширины обедненной области (запирающего слоя).

В результате в цепи потечет ток, вызванный дополнительным диффузионным движением носителей зарядов, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера. При толщина запирающего поля стремится к нулю и при дальнейшем увеличении , область, обедненная носителями заряда, исчезает вообще. В результате электроны и дырки, являющиеся основными носителями в n- и p-областях, начинают свободно диффундировать в области с противоположным типом электропроводности, при этом . Через p-n-переход течет ток, который называется прямым.