Равновесное состояние р-n-перехода

Будем для простоты рассматривать ступенчатый симметричный р-n-переход (рис.6.2). Пусть металлургической границей является плоскость Х = 0. Температура р-n-перехода соответствует области температур истощения примеси. Поэтому в n-области концентрация основных носителей заряда электронов

n_nо = N_Д

и n_nо >> р_nо – концентрации неосновных носителей заряда – дырок.

Для р-области концентрация основных носителей заряда – дырок

р_ро = N_А

и р_ро >> n_ро – концентрации неосновных носителей заряда – электронов. Концентрации неосновных носителей заряда можно определить из соотношения:

n_nор_nо = n_рор_ро = n_i².

Для примера в Si: n_i » 10¹⁰ см^-3; N_Д » N_А » 10¹⁴ см^-3. Тогда n_nо » р_ро » 10¹⁴ см^-3, n_ро » р_nо » 10⁶ см^-3. Видно, что концентрации основных и неосновных носителей заряда различаются примерно на восемь порядков.

Большое различие в концентрациях однотипных носителей заряда в контактирующих областях приводит в момент образования контакта к возникновению мощных диффузионных потоков основных носителей заряда: электронов из n-области в р-область:

n_{n --> p}

и дырок из р-области в n-область

р_{р --> n} .

Электроны, перешедшие в р-область, рекомбинируют вблизи границы раздела с дырками этой области. В результате в приконтактном слое р-области практически не остается дырок (рис.6.2б). Поскольку в полупроводнике р-типа дырки возникают за счет ионизации акцепторной примеси, то в приконтактном слое р-области формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора (рис.6.2в). Дырки, которые компенсировали этот заряд, прорекомбинировали с электронами, перешедшими из n-области. Кроме того, концентрация дырок в приконтактном слое р-области уменьшается за счет диффузионного потока р_{р --> n}.

Аналогично, дырки, перешедшие из р-области в n-область, рекомбинируют в близи границы раздела с электронами n-области. В результате в приконтактном слое n-области практически не остается электронов (рис.6.2б). Кроме того, концентрация электронов уменьшается за счет перехода части электронов в р-область за счет диффузионного потока n_{n --> p}. Поэтому в приконтактном слое n-области формируется неподвижный объемный положительный заряд ионизированных атомов донора (рис.6.2в).

Появление зарядов приводит к возникновению разности потенциалов и соответствующего ей электрического поля Е. Направление поля таково, что оно препятствует движению основных носителей заряда и приводит к снижению диффузионных потоков n_{n --> p} и р_{р --> n}(рис.6.2б).

Но это же поле не препятствует движению неосновных носителей заряда. Электроны из р-области и дырки из n-области в силу теплового движения попадают в слой объемного заряда. Здесь они подхватываются полем и переносятся через р-n-переход. То есть электрическое поле в р-n-переходе не препятствует движению через него неосновных носителей заряда. Возникают потоки неосновных носителей заряда (рис.6.2б):

n_{р --> n} р_{n -- > р}.

В первый момент образования р-n-перехода

n_{n --> p} >> n_{р --> n} и р_{р --> n} >> р_{n -- > р}.

Но по мере роста объемного заряда увеличивается напряженность электрического поля, что уменьшает потоки основных носителей заряда. В тоже время потоки неосновных носителей заряда остаются неизменными, поскольку поле не препятствует их движению. Поэтому электрическое поле быстро достигает такой величины, при которой наступает равенство потоков основных и неосновных носителей заряда:

n_{n --> p} = n_{р --> n} и р_{р --> n} = р_{n -- > р}.

Это соответствует установлению в р-n-переходе состояния динамического равновесия, которому отвечает контактная разность потенциалов, обозначаемая как V_к. Этой разности потенциалов отвечает электрическое поле с напряженностью E_к.

Электрический ток через переход в состоянии равновесия равен нулю.

Внешние границы областей пространственных зарядов являются границами р-n-перехода и определяют его толщину d. Различают толщину перехода в р- и n-областях, которые обозначаются как d_р и d_n (рис.6.2в).