Р-n-переход при нарушении равновесия

Образование р-п-перехода

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 J_nD и дырочного J_pD токов уравновешиваются дви-

жущимися в обратном направлении под действием εdif дрейфовыми состав-

ляющими токов J_nE и J_nE (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

C_jo = 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

=

qN_bx_d0

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

Δp_n >> Δn_p и W_Б >> Lp и накопленный заряд в базе Q_Б:

…

…

…

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: Ε_Σ

= 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 = E_dif +

E > E_dif (рис.1.5), что, соответственно приведет: во-первых, к увеличению ширины ОП3, а значит, к уменьшению величины С_j; 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.

Поиск по сайту: