Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
2. ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЙ ПЕРЕХОД (p-n-переход) И ЕГО СВОЙСТВА.
Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную проводимость, а другая – дырочную.
Рис. 6
Между электронной и дырочной областями всегда существует тонкий переходный слой, который называется электронно-дырочным или р-n-переходом.
Переход, линейные размеры которого значительно превышают его толщину, называется плоскостным.
Существование электронно-дырочного перехода обусловлено различием в концентрации подвижных носителей заряда электронной и дырочной областей.
В р- области концентрация:
- дырок
pp = Na ,
- электронов
В n-области концентрация:
- электронов
nn = Nд ,
- дырок
Так как рр>>рn, и nn>>nр, то на границе двух областей имеется градиент концентраций подвижных носителей заряда каждого знака. Этот градиент вызывает диффузионный ток дырок из р-области в n-область и диффузионный ток электронов из n-области в p-область. В результате диффузии происходит перераспределение электрических зарядов в непосредственную близость от границы областей.
(jpp)D (jpn)E
Есобств. (jnn)D (jnp)E
_ _ _ + + +
_ _ _ + + +
_ _ _ + + +
_ _ _ + + + _ _ _ + + +
р _ _ _ + + + n
N
рис.6.1.
концентрация
Na Nд примесей
одинакова
рис.6.2
x
0
pp n,p nn
резкий переход
(концентрация
меняется резко)
np pn рис.6.3
х
0
q
рис.6.4
х
0
Есобств.
Е
х
еN
Еmax= 2 рис.6.5
х
-/2 0 +/2
Слой, в котором изменяется концентрация примесей, значительно тоньше, чем переход. Такой переход называется резким. В отличие от плавного, у которого изменение концентрации примеси происходит вдоль всего перехода.
Пусть концентрация примесей одинакова (рис.6.2), т.е.
Nа = Nд = N
В р-области вследствие перехода дырок возникает нескомпенсированный отрицательный пространственный заряд (дырки ушли в n-область или рекомбинировали с пришедшими электронами). В n-области по той же причине возникает положительный пространственный заряд (рис. 6.4.).
В результате в переходном слое создается электрическое поле (рис. 6.5), максимальное значение которого:
(5)
Это электрическое поле препятствует диффузии основных носителей, но зато создает встречный дрейфовый ток неосновных носителей. При отсутствии внешнего поля один процесс компенсирует другой, т.е.:
(6)
устанавливается динамичное равновесие.
В приконтактном слое концентрация подвижных носителей заряда уменьшается (рис.6.3).
Обедненный носителями слой обладает меньшей электропроводностью и называется запирающим слоем.
Разность потенциалов в переходе, обусловленная его собственным электрическим полем, называется контактной разностью потенциалов (или потенциальным барьером).
Она равна:
(7)
Пример:
комнатная Т = 300К
германевый переход, концентрация:
Вывод:
при фиксированной температуре высота потенциального барьера определяется отношением концентраций носителей заряда одного знака на границах р-n-перехода.
Можно показать, что толщина слоя равна:
(8)
Пример:
Ge=16, данные остальные те же, что и в предыдущем случае. Тогда
= 0,4 мкм
Практически в зависимости от концентрации примесей, изменяется от сотых долей до единиц микрометра.
Ранее мы рассматривали случай, когда концентрация примесей одинакова Na = Nд. Если же она различна, то переход будет несимметричным.
Несимметричный переход:
q1 q2 Na>Nд
q1=q2
p n
1 2
Рис.8
Переходы с двумя областями с одним типом проводимости, отличающиеся концентрацией примесей и соответственно значением удельной проводимости называются электронно-электронными (n+-n-переход) или дырочно-дырочными переходами (р+-р-переход).
Переходы между двумя полупроводниковыми материалами, имеющими различную ширину запрещенной зоны, называются гетеропереходами.
Если одна из областей является металлом, то такой переход называется переходом металл-полупроводник.
На основе последних осуществляются омические контакты (выводы от областей полупроводника), когда Fm<Fр или Fm>Fn.
ПРОХОЖДЕНИЕ ТОКА ЧЕРЕЗ р-n-переход
Приложим к р-n-переходу внешнее напряжение (напряжение "смещение").
рис. 9
(9)
1. Подключим "-" внешнего источника напряжения U к р-области, а "+" к n-области.
Такую полярность называют обратной.
Под действием электрического поля источника основные носители будут дрейфовать от пограничных к переходу слоев вглубь полупроводника.
Рис.10
В результате дрейфа ширина обедненного основными носителями слоя увеличится по сравнению с равновесным состоянием и сопротивление р-n перехода возрастет. Почти все приложенное напряжение падает на переходе.
Высота потенциального барьера возрастет на величину Uобр.:
Up-n = к+Uобр. (1)
При этом дрейфовый ток практически не изменяется от величины Uобр., т.к. изменяется лишь скорость переноса неосновных носителей заряда, не влияя на количество переносимых носителей в единицу времени.
Диффузионная составляющая тока зависит от высоты потенциального барьера. Чем он выше, тем меньшее количество основных носителей заряда способно преодолеть этот барьер.
Таким образом, с увеличением обратного напряжения величина диффузионного тока уменьшается.
При больших обратных напряжениях ток через переход стремится к величине дрейфового тока.
В дальнейшем этот ток будем называть обратным током насыщения р-n-перехода (Iобр). (Iобр=Iнасыщения).
2. Теперь приложим к р-области "+", а к n-области "-" источника
внешнего напряжения. Такую полярность напряжения называют прямой (Uпр).
При такой полярности основные носители перемещаются по направлению к р-n-переходу. Недостаток носителей в приконтактных слоях уменьшается, толщина перехода становится меньше (2-2') и сопротивление р-n-перехода понижается.
Приложенное к переходу результирующее напряжение уменьшается:
Up-n = к - Uпр (2)
Следовательно, высота потенциального барьера уменьшается и диффузионный ток основных носителей через переход растет. В дальнейшем этот ток будем называть прямым (Iпр).
Пока Uпр<к через переход могут двигаться и неосновные носители (составляющие дрейфового тока).
При |Uпр|>>к р-n-переход исчезает.
p-n переход
p-область
n-область
_
p
n
+
Uобр
Iобр
p
n
+ U
U _
1 2
2’ 1’
Eсобств
основные носители дырки отсюда
пойдут к (-)
слой, обедненный
основными
носителями
_
_
_
_
_
+
+
+
+
+
U; j
jк
Up-n= jк+Uобр
х
основные носители электроны
отсюда пойдут к (+)
p
n
+
Uпр
Iпр
_