Электронно-дырочный переход в равновесии

Напомним, что в полупроводниках тип проводимости и концентрация свободных носителей заряда определяются примесями. Электронная проводимость (n-типа) возникает при добавлении в решетку основного материала донорных примесей (например, в четырехвалентные Ge или Si пятивалентного фосфора Р, мышьяка As или сурьмы).Основными носителями заряда в этом случае являются электроны с концентрацией n, образующихся в основном благодаря донорной примеси, неосновными – дырки с концентрацией p, которые образуются за счет собственных атомов кристалла; n>>p. Дырочная проводимость (р-тип) создается присутствием в решетке атомов акцепторной примеси (в Ge или Si это трехвалентный бор В, алюминии Al или индии In). Основные носители заряда в полупроводнике р – типа – дырки, неосновные – электроны, р>>n. На рисунке 74.2 показаны зонные диаграммы (расположения значений энергии зон и уровней) примесных полупроводников.

Зонные диаграммы примесных полупроводников

Wc – дно зоны проводимости; Wv – потолок валентной зоны; W – донорный уровень; W – акцепторный уровень; – энергия ионизации примеси; W – уровень Ферми; – ширина запрещенной зоны.

Рисунок 74.2

Уровень Ферми – статистический параметр. В полупроводниках он определяется условием распределения электронов по всем возможным энергиям в валентной зоне, зоне проводимости и на примесных уровнях. В полупроводниках n - типа уровень Ферми W лежит выше середины запрещенной зоны (при OK посередине между W_Dи W_C), в полупроводниках p – типа уровень Ферми находится ниже середины запрещенной зоны (при OK посередине между W и W ). В собственных полупроводниках W проходит через середину запрещенной зоны. В состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми одинаков для всех областей полупроводника.

Условна представим, что в какой-то момент создан электрический контакт между областями полупроводника с различным типом проводимости. Свободные носители заряда получают возможность переходить из одной области в другую, образуется единая система, и уровень Ферми устанавливается на одной высоте для областей p - и n - типа. Это проводит к тому, что энергетические зоны в p – и n – областях смешаются относительно друг друга, в области контакта наблюдается изгиб зон и возникает потенциальный барьер е , где е - величина заряда электрона, - контактная разность потенциалов (рисунок 74.3).

Зонная диаграмма p-n – перехода в равновесии

Рисунок 74.3

Рассмотрим процессы, которые приведут к образованию потенциального барьера. На контакте возникают диффузионные потоки свободных носителей заряда. Электроны переходят из n - области (где их много) в p - область (где их мало); дырки, наоборот, из р - области в n - область. Электроны, попавшие в р – область, рекомбинируют там с дырками (взаимно уничтожаются, что означает заполнение незамкнутой валентной связи). Рекомбинация происходит в тонком слое кристалла вблизи границы между р - и n - областями. В результате отрицательный заряд ионов акцепторной примеси в этом слое уже не компенсируется положительным зарядом дырок, и слой заряжается отрицательно, возникает отрицательный объемный заряд ионов акцептора (рисунок 74.4). Аналогично дырки переходят в n - область и рекомбинируют с электронами. В тонком слое со стороны n - области положительные заряды ионов донора не компенсируются зарядом электронов, образуется объемный положительный заряд. В области контакта (р - n – перехода) объемные заряды ионов акцептора и донора создают двойной электрический слой и, следовательно, внутреннее электрическое поле, напряженность которого направлена от n - области (+) к р - области (-). Концентрация свободных носителей заряда в области объемного заряда вследствие рекомбинация мала, потому эту область называю обедненнымили истощенным слоем, и этот слой обладает очень высоким сопротивлением.

Распределение зарядов в р-n –переходе

– ионы акцепторов; – ионы доноров; (+) – дырки; (-) – электроны.

Ионы основного материала и не основные носители заряда, ввиду их малого количества схематические не изображены.

Рисунок 74.4

Внутреннее электрическое поле препятствует дальнейшему переходу основных носителей заряда через контакт: электронов из n - в p - область и дырок из p - в n - область. Переходят только те свободные носители, энергия которых превышает высоту потенциального барьера. Эти переходы образуют диффузионный ток Ig. Одновременно через р – n – переход движутся не основные носители заряда; электроны из р - в n - область и дырки n - в р - область. Этим переходам внутреннее электрическое поле не препятствует, а наоборот, помогает. Поэтому все электроны, образовавшиеся в результате тепловой генерации и оказавшиеся в области отрицательного объемного заряда (в р – n – переходе со стороны р – области), перейдут в n – область и, наоборот, дырки из положительного заряженного объема n – области перейдут в р – область. Эти потоки неосновных носителей образуют дрейфовый ток I₀. В равновесии I_g и I₀ равны по величине и направлены противоположно, результирующий ток через р – n-переход равен нулю:

I = I_g + I₀ = 0