Образование электронно-дырочного перехода

Если два полупроводника с разными типами электропроводности соединить друг с другом, то на границе их соединения образуется энергетический барьер. Аналогичный энергетический барьер возникает на границе двух областей неоднородного полупроводника с разными типами проводимости. Этот барьер или границу между двумя областями полупроводника с разными типами проводимости называют электронно-дырочным переходом (p-n–переходом), который является основной современной полупроводниковой электроники (рисунок 1). Ширина p-n – перехода – десятые доли микрона. Отметим, что речь идёт не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной.

Рисунок 1 – Структура электронно дырочного перехода

Существование электронно-дырочного перехода обусловлено различием в концентрации подвижных носителей заряда в полупроводнике n-типа и p-типа. Концентрация дырок в полупроводнике p-типа больше, чем их концентрация в полупроводнике n-типа (Что такое полупроводник n-типа и p-типа?) и примерно равна концентрации акцепторной примеси: p_p≈N_a.

Концентрация электронов проводимости в полупроводнике n-типа больше, чем их концентрация в полупроводнике p-типа и примерно равна концентрации донорной примеси: n_n≈N_д. Разница концентраций носителей зарядов в полупроводнике с разными типами проводимости показана на рисунке 2. Необходимо отметить, что концентрация носителей заряда в полупроводнике n-типа и p-типа отличаются на несколько порядков.

Рисунок 2 – Распределение носителей заряда в p-n переходе

Неравномерная концентрация свободных носителей заряда в полупроводниках, образующих электронно-дырочный переход и их беспорядочное тепловое движение, приводит к возникновению диффузии. Явление диффузии свободных носителей заряда в p-n–переходе схоже с явлением диффузии молекул в газах. Оно состоит в том, что электроны проводимости диффундируют из области, где их концентрация велика, в область, где их концентрация мала. Т.е. из полупроводника n-типа в полупроводник p-типа. Дырки, аналогично, диффундируют из области, где их концентрация велика, в область, где их концентрация мала. Т.е. из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа (рисунок 3).

Рисунок 3 – Диффузия зарядов в p-n переходе

Диффузия свободных носителей заряда представляет собой упорядоченное (направленное) движение электронов и дырок. Т.е. градиент концентрации носителей заряда в полупроводниках p-типа и n-типа вызывает диффузионный ток дырок из полупроводника p-типа в полупроводник n-типа и диффузионный ток электронов в обратном направлении. В ГОСТ 22622-77 Диффузионный ток – это направленное движение зарядов в полупроводнике, возникающее вследствие градиента концентрации носителей заряда.

Однако указанные диффузионные токи не приводят к выравниванию концентрации носителей заряда в полупроводниках p-типа и n-типа. Это объясняется тем, что в процессе диффузии носителей по обе стороны границы раздела двух полупроводников с различными типами электропроводности создаются объемные заряды различных знаков. В области полупроводника n-типа возникает положительный объемный заряд. Он образован положительно заряженными атомами донорной примеси и диффундировавшими в эту область дырками. Подобно этому в области полупроводника p-типа возникает отрицательный объемный заряд, образованный отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и диффундировавшими электронами (рисунок 4).

Рисунок 4 – Образование объёмного заряда в p-n переходе

В результате дырочная область полупроводника относительно электронной области приобретает отрицательный потенциал φ_n, а электронная область относительно дырочной – положительный потенциал φ_p. Между образовавшимися объемными пространственными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов φ_к и электрическое поле с вектором напряженности Е_к. Контактная разность потенциалов обычно составляет десятые доли вольта (0,3–0,7 В) и может быть определена из следующего выражения:

где φ_к - контактная разность потенциалов; φ_Т - температурный потенциал; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; e (или q) – элементарный заряд, равный 1,6· 10^-19 Кл; p_p - концентрация дырок в полупроводнике p-типа; p_n - концентрация дырок в полупроводнике n-типа.

Электрическое поле Е_к является тормозящим для основных носителей заряда и препятствует развитию процесса диффузии зарядов. В результате этого диффузионный ток j_диф уменьшается почти до нуля.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей заряда (ОНЗ) через границу происходит и обратное перемещение неосновных носителей заряда (ННЗ) под действием электрического поля Е_к. Это поле перемещает дырки из n-области в p-область и электроны из p-области обратно в n-область (рисунок 5).

Рисунок 5 – Действие поля контактной разности потенциалов на заряды

Расчётная плотность диффузионного тока может достигать 2000 а/см². Однако, следует иметь в виду, что в действительности такой большой ток через электронно-дырочный переход не протекает, так как диффузионные силы уравновешиваются имеющимся в переходе электрическим полем контактной разности потенциалов. Каждую секунду через границу в противоположных направлениях диффундирует определенное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении. Поэтому при постоянной температуре p-n–переход находится в состоянии динамического равновесия и ток диффузии принимают равным нулю. Внешнее электрическое поле отсутствует, поэтому ток дрейфа так же принимают равным нулю. В результате плотность тока, протекающего через p-n–переход, представляющая собой сумму плотности тока, создаваемого зарядами в результате дрейфа j_др и плотности тока, создаваемого зарядами в результате их диффузии j_диф будет равна j=j_др+j_диф=0

В рассмотренном случае, когда полупроводники n-типа и p-типа имеют одинаковую по величине концентрацию примесей, электронно-дырочный переход простирается в обе стороны от границы раздела на одну и ту же глубину. Если же концентрация примеси в полупроводниках n-типа и p-типа различна, то глубина проникновения перехода в полупроводники n-типа и p-типа будет неодинаковой. Это связано с тем, что нескомпенсированный заряд в обеих частях должен быть по величине одним и тем же. Большую толщину имеет переход в области с меньшей концентрацией примеси (рисунок 6).

Рисунок 6 – Несимметричный электронно-дырочный переход

Суммарная величина (толщина) электронно-дырочного перехода определяется следующей зависимостью:

где: δ - суммарная толщина электронно-дырочного перехода; ε - абсолютная диэлектрическая проницаемость среды; φ_к - контактная разность потенциалов; e (или q) – элементарный заряд, равный 1,6· 10^-19 Кл; N_а - концентрация акцепторной примеси; N_д - концентрация донорной примеси.

Посмотрите учебный видеоролик