Трансформатор Электрические машины Проводниковые материалы Расчет мостового выпрямителя с фильтром Двухполупериодные выпрямители Туннельный диод Диэлектрик и идеальный проводник


Курс лекций по физике для студентов технических университетов. Расчеты в электрических цепях

p-n переход в равновесном и неравновесном состоянии

Концептуальная диаграмма.

Электрические переходы.

Условие равновесия электрического перехода. Перенос заряда в электрическом переходе, ток диффузии, ток дрейфа, ток рекомбинации.

Электрические и геометрические параметры p-n перехода.

Способы нарушения равновесия.

Уравнение тока через p-n переход.

Контрольные вопросы.

3.1. Концептуальная диаграмма

3.2. Электрические переходы

Электрическим переходом называется слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами электропроводности (n-полупроводник, p-полупроводник, металл, диэлектрик) или разными величинами удельной электрической проводимости. Если переход создается между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа, то такой переход называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Переход между двумя областями полупроводника n-типа, обладающими различной удельной проводимостью, называется электронно-электронным или n-n+-переходом, причем знак «+»относится к области с более высокой удельной электрической проводимостью; аналогично переход между двумя областями полупроводника p-типа с различной удельной электрической проводимостью называется p-p+-переходом. Широкое применение получили переходы металл - полупроводник.

Электрические переходы могут создаваться как на основе полупроводников с оди-наковой шириной запрещенной зоны, т.е. одинаковых материалов (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы). Заметим, что предельным случаем гетероперехода является контакт металл - полупроводник (у металла нет запрещенной зоны).

Если линейные размеры перехода, определяющие площадь последнего, значительно больше его толщины, то такой переход называется плоскостным; если же линейные размеры меньше, чем длина, определяющая физические процессы в переходе (например, диффузионная длина), то переход называют точечным.

Условие равновесия электрического перехода. Перенос заряда в электрическом переходе, ток диффузии, ток дрейфа, ток рекомбинации

Равновесное состояние имеет место при отсутствии внешнего напряжения (U = 0). Примем, что в рассматриваемой p-n-структуре концентрация дырок в дырочной области выше, чем в электронной (pp>>рп), а концентрация электронов в электронной области выше, чем в дырочной (пп>>пр), на границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации носителей заряда. В этом случае возникает диффузия основных носителей — электронов из n-области в p-область. Подобным же образом дырки — основные носители p-области — диффундируют во встречном направлении из p-области в n-область, ибо рр>>рп. В результате этих процессов нарушается электрическая нейтральность областей полупроводника по обе стороны от контакта. Носители заряда, перешедшие через контакт, становятся неосновными и рекомбинируют с основными носителями той области, куда они перешли, что приводит к образованию по обе стороны от контакта слоев с малой концентрацией подвижных носителей и, следовательно, с большим сопротивлением.

Слой полупроводника, в котором концентрация основных носителей оказывается уменьшенной, называется обедненным или запирающим. В пределах обедненного слоя по одну сторону от контакта в p-области образуется нескомпенсированный отрицательный пространственный заряд ионизованных акцепторов, в то время как по другую сторону контакта в n-области возникает положительный пространственный заряд ионизованных доноров. На рис. 3.1, а для упрощения носители и атомы примесей показаны только в области перехода.

  Это приводит к появлению контактной разности потенциалов ик = jn - jр в пределах p-n-перехода (рис.3.1,г). и электрического поля (вектор напряженности Ек) (рис.3.1,д). Причем возникшее контактное поле будет противодействовать дальнейшему диффузионному перемещению основных носителей обеих областей через p-n-переход. Как видно, в п — p-переходе возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей. На рис. 3.1,г изображен барьер для электронов, стремящихся за счет диффузии перемещаться слева направо (из области n область р). Если бы мы отложили вверх положительный потенциал, то получили бы изображение такого же потенциального барьера для дырок, которые стремятся диффундировать справа налево (из области p в область n). Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно составляет десятые доли вольта.

На рис. 3.1,в показано распределение концентрации носителей в p-n-переходе.

Вместе с тем под действием поля EK возникает дрейфовое движение через границу неосновных носителей зарядов: дырок из n-области в p-область и электронов в обратном направлении. На рис. 3.1,а такое перемещение неосновных носителей (дрейф) показано также стрелками. При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.

Рис. 3.1. Равновесный p-п переход:

а) схема перехода; б) энергетическая диаграмма перехода;

в) концентрация подвижных зарядов; г) распределение потенциала;

д) напряженность поля; е) концентрация неподвижных зарядов

Взаимная рекомбинация подвижных носителей в p-n-переходе происходит с такой интенсивностью , что в любой точке слоя, обедненного подвижными носителями , будет примерное равенство: pn » ni2. Данное состояние полупроводника называется равновесным.

Условие равновесия в полупроводнике выглядит следующим образом:

  (3.1)

Перемещение носителей за счет диффузии — это диффузионный ток (Iдиф), а движение носителей под действием поля — ток дрейфа (Iдр).

Каждый из токов Iдиф и Iдр имеет электронную и дырочную составляющие

  (3.2)

 (3.3)

 Значения этих составляющих различны, так как зависят от концентрации и подвижности носителей.

Электронный дрейфовый ток In др создается неосновными носителями p-области — электронами зоны проводимости (рис.3.1.б 1), которые под действием ускоряющего электрического поля напряженностью Ек, образованного контактной разностью потенциалов UK, выводятся в n-область. Переход для электронов p-области является неограниченным стоком, который вытягивает все электроны, поступающие к его поверхности из толщи p-области в результате их диффузии из объема глубиной, равной диффузионной длине Ln электронов в p-области. Одновременно внутри p-области в результате генерации пар образуются новые электроны.

Определим плотность дрейфового электронного тока, как jηдр =rn un = —qnpLn/τn , где uп — средняя скорость электронов; n — объемная плотность заряда электронов; — диффузионная длина электронов в p-области; τn — среднее время жизни электронов, Dn- коэффициент диффузии электронов; следовательно,

 (3.4)

Электронный диффузионный ток In диф создается основными носителями n-области — электронами зоны проводимости, которые вводятся через p-n-переход в p-область полупроводника (2, рис. 3.1., б). Ток возникает благодаря тому, что концентрация электронов в n-области пп значительно больше пр и поэтому можно определить плотность этого тока в переходе как обусловленного диффузией:

  (3.5)

Ток In диф создается лишь теми электронами, которые располагаются в зоне проводимости n-области на сравнительно высоких уровнях и обладают достаточно большой энергией, чтобы преодолеть энергетический барьер в p-n-переходе (заштрихованы на рис. 3.1., б). В p-области эти электроны становятся неосновными носителями заряда.

Электронные токи In др и In диф в состоянии равновесия равны между собой и плотность результирующего электронного тока через переход равна нулю.

  Дырочный дрейфовый ток Iр др создается неосновными носителями — дырками валентной зоны n-области (3, рис. 3.1., б), которые, подойдя в результате диффузионного движения к переходу, под действием ускоряющего контактного поля в нем переходят в p-область, где становятся основными носителями. Плотность дырочного дрейфового тока

 (3.6)

Дырочный диффузионный ток I р диф возникает в результате прохождения основных носителей p-области — дырок валентной зоны через переход в n-область, где они становятся неосновными носителями (4, рис. 3.1., б). Необходимо отметить, что дырки обладают более высокой энергией, если они занимают более низкий энергетический уровень в валентной зоне; чем ниже этот уровень, тем меньшее число дырок его занимает.

Плотность дырочного диффузионного тока

  (3.7)

Высота потенциального барьера всегда устанавливается именно такой, чтобы наступило равновесие, т. е. диффузионный ток и ток дрейфа компенсируют друг друга. 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.

  (3.8)

 Поскольку суммарный ток равен нулю, система должна характеризоваться единым уровнем Ферми WF (рис. 3.1, б).

В запирающем слое могут протекать процессы генерации подвижных зарядов и их рекомбинации. Процесс рекомбинации частиц обусловлен тем, что частицы с энергией недостаточной для преодоления потенциального барьера, проникая на некоторую глубину в запирающий слой, теряют свою скорость в поле перехода и выносятся этим полем обратно. В результате значительного времени пребывания таких частиц в запирающем слое увеличивается вероятность их рекомбинации через ловушки и другие дефекты структуры и появляется ток рекомбинации Iрек.

В состоянии динамического равновесия (U=0) встречные потоки носителей компенсируются, так что ток генерации равен току рекомбинации.


На главную