Электронно-дырочный переход

Область внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности называют электронно-дырочным переходом или р-n-переходом. Такие переходы изготовляют сложными технологическими приемами путем внесения примеси определенного типа (например, n-типа) в полупроводник с незначительным количеством примеси противоположного типа (р-типа). Свойства р-n-перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Рассмотрим картину образования р-n-перехода. При этом для простоты будем считать, что р-n- переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников р- и n-типов, и концентрации электронов в области n-типа и дырок в области р-типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов равна концентрации свободных дырок , а в области n-типа концентрация положительных ионов доноров равна концентрации свободных электронов . Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей. При создании р-n-перехода (упрощенно – при соприкосновении областей р- и n-токов) равенство между количеством ионов и свободных носителей заряда нарушается. Так как между областями р- и n-типов существует значительная разница в концентрации дырок и электронов, происходит диффузия дырок в область n-типа и электронов – в область р-типа.

Как только дырка покинет область р-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированный отрицательный заряд иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области n-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси (рис. 1.11, одинарный кружок – свободные заряды; закрашенный – ионы). Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют р-n-переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р- и n-типов. Часто этот слой называют запирающим. Однако надо отметить, что концентрация подвижных носителей в р-n-переходе изменяется плавно и существенно обеднен подвижными носителями заряда только средний слой перехода, где их концентрация примерно на несколько порядков меньше. Поэтому обедненный, или запирающий, слой несколько уже p-n-перехода.

Рис. 1.11. Электронно–дырочный переход

Мы исходили из того, что области р- и n-типов имеют одинаковую концентрацию примесей. В этом случае размеры и переходов равны. Объемные заряды по обе стороны границы раздела полупроводников имеют разные знаки и создают электрическое поле р-n-перехода. Это поле напряженностью Е направлено в сторону от положительно заряженного слоя к отрицательно заряженному, т.е. от области n-типа к области р-типа. Оно является тормозящим для основных носителей и препятствует дальнейшему диффузионному перемещению основных носителей через р-n-переход, стремясь возвратить дырки в область р, а электроны – в область n. На рис. 1.12 показано изменение напряженности поля Е и его потенциала вдоль оси х, перпендикулярной плоскости перехода, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Из рисунка видно, что в р-n-переходе возникает потенциальный барьер, равный контактной разности потенциалов , которую называют высотой потенциального барьера.

Рис. 1 .12. Изменение напряженности поля Е и его потенциала вдоль оси х

Рассмотрим образование потенциального барьера с точки зрения зонной теории твердого тела (рис. 1.13). При контакте полупроводников р- (область 3) и n-типов (область 1) образуется единая система, уровень Ферми в которой является общим для обеих областей (при условии термодинамического равновесия и в отсутствие внешнего электрического поля). На границе раздела уровень Ферми проходит через середину запрещенной зоны (сечение на границе обладает собственной электропроводностью).

Рис. 1.13. Образование потенциального барьера

Поскольку в области n-типа уровень Ферми находится недалеко от дна зоны проводимости (I), а в области р-типа – недалеко от потолка валентной зоны (II), энергетические зоны смещаются относительно друг друга и в области р-n-перехода (область 2) образуется потенциальный барьер, высота которого

, (1.2)

где – минимальная энергия, которую нужно дополнительно сообщить электрону (или дырке) для того, чтобы он (она) мог перейти в смежную область; q –заряд электрона.

На высоту потенциального барьера влияет концентрация примесей. Если увеличить концентрацию, уровень Ферми в области n-типа приблизится к дну зоны проводимости, в области р-типа – к потолку валентной зоны. В этом случае энергия , а следовательно, и потенциальный барьер увеличатся (в предельном случае будет приблизительно равна ширине запрещенной зоны).

Если концентрацию примесей уменьшить, уровень Ферми сместится к середине запрещенной зоны, энергия , а следовательно, и высота потенциального барьера уменьшатся. Потенциальный барьер р-n-переходов, образованных в германии, равен 0,3-0,4 В, в кремнии – 0,7-0,8 В.