Введем два монокристалла полупроводника, обладающих различными ти-
пами электропроводимости, в идеальный контакт. Процессы, происходящие в
р-n-переходе, будем анализировать в диапазоне температур, при которых все
примеси ионизированы. Объемы полупроводников электронейтральны, т.к. за-
ряды связанных носителей (ионизированных доноров и акцепторов) уравнове-
шиваются зарядами свободных носителей (соответственно электронов и ды-
рок). Из-за наличия градиента концентрации основные свободные носители за-
ряда будут диффундировать в соседние области, где они вблизи границы ре-
комбинируют.
Около металлургической границы (м.г.) перехода, то есть в плоскости, где
меняется тип преобладающей примеси, образуется двойной заряженный слой
нескомпенсированных ионизированных акцепторов и доноров (рис. 1.1), поле
которого (Eдифф) будет препятствовать дальнейшей диффузии. Этот слой шири-
ной (xd) будем называть областью пространственного заряда (ОПЗ) или обед-
ненным слоем. Из условия электронейтральности перехода
Считаем, что в идеальном случае все напряжение, приложенное к р-n-
переходу, падает на ОПЗ.
Вследствие наличия электрического поля между областями материала раз-
ных типов электропроводности образуется потенциальный барьер. Достижение
равновесного состояния осуществляется за счет того, что диффузионные со-
ставляющие электронного JnD и дырочного JpD токов уравновешиваются дви-
жущимися в обратном направлении под действием εdif дрейфовыми состав-
ляющими токов JnE и JnE (рис. 1.1, б).
Высоту потенциального барьера р-n-перехода можно определить, исходя
из следующих соображений. Когда обе области полупроводника находятся в
равновесии, уровень Ферми должен быть постоянным в пределах всей системы,
следовательно, высота потенциального барьера будет определяться положени-
ем уровня Ферми в n- и р-областях. Он эквивалентен разности работ выхода из
этих отдельных областей, т.к. работы выхода из полупроводника определяется
выражением:
...
…
Барьерная и диффузионная ёмкость
Барьерная
Удельную барьерную емкость р-n-перехода Сjо можно определить, исполь-
зуя известное выражение
Cjo = dQ/dU,
где dQ — дифференциальное приращение плотности заряда, вызванное
достаточно малым изменением приложенного к p-n-переходу напряжения.
Следовательно, для несимметричных резких р-n-переходов, принимая
и
Q
=
qNbxd0
U = φk, выражая величину φk (1.18), получим
Диффузионная
В (1.3) было дано понятие барьерной емкости, которая связана с накопле-
нием заряда в обедненной области. Аналогичным образом, изменение накоп-
ленного заряда неосновных носителей в областях, прилегающих к ОПЗ, при
прямом смещении может быть смоделировано с помощью другой малосигналь-
ной емкости. Эта емкость обычно называется диффузионной емкостью CD, так
как в случае идеального диода неосновные носители двигаются через квази-
нейтральную область вследствие диффузии. Следовательно, Cd = dQ/dU,где Q — заряд, накопленный в квазинейтральных областях.
Если рассматриваем р+-n переход с длинной базой, то
Δpn >> Δnp и WБ >> Lp и накопленный заряд в базе QБ:
…
…
…
Р-n-переход при нарушении равновесия
Eсли приложить к р-n-переходу прямое внешнее напряжение c полярностью "+" на р-область и "–" на n-область, то, как видно из рис.1.4, суммарное
электрическое поле, приложенное к ОПЗ р-n-перехода,уменьшится: ΕΣ
= Ε dif – Ε 〈 Ε dif.
В результате влияния внешнего поля изменятся характеристики р-n-
перехода: во-первых, ширина ОПЗ уменьшится до величины xd, а, следовательно, увеличится барьерная емкость р-n-перехода; во-вторых уменьшится высота
потенциального барьера на величину qU. Уменьшение высоты потенциального
барьера приведет к тому, что наиболее высокоэнергетические электроны в n-
области перехода и дырки в р-области в силу уменьшения поля, противодейст-вующего диффузии, смогут диффундировать в соседние области, т.о. Начнется
процесс инжекции (инжекция — введение свободных носителей заряда в об-
ласть полупроводника, где они являются неосновными, через потенциальный
барьер при уменьшении его величины внешним электрическим полем).
При подаче на р-n-переход обратного напряжения ("–" на р-область и "+"
на n-область) суммарное поле, приложенное к ОПЗ, увеличивается: E Σ = Edif +
E > Edif (рис.1.5), что, соответственно приведет: во-первых, к увеличению ширины ОП3, а значит, к уменьшению величины Сj; во-вторых, к увеличению высоты потенциального барьера.
Если предположить, что ОПЗ бесконечно тонкая (идеализированный случай), и игнорировать все процессы, которые могут в ней происходить, то ток в
р-n-переходе будет обусловлен тепловой генерацией носителей в областях,
прилегающих к р-n-переходу, и их экстрагированием в соседние области.