Образование электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочным переходом (р-п переходом) называют переходной слой между двумя слоями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.

До вхождения в контакт оба полупроводника электрически нейтральны, поскольку заряд основных носителей (электронов или дырок) компенсируется зарядом ионизированных доноров или акцепторов. В случае контакта полупроводников на границе раздела оказывается большой градиент концентрации электронов и дырок, что вызывает возникновение диффузионных потоков основных носителей заряда: электронов из полупроводника п-типа в полупроводник р-типа и дырок во встречном направлении (рис.4.2 а). Диффундирующие носители заряда создают диффузионные токи J_nДиф и J_pДиф. Диффузия носителей заряда приводит к нарушению нейтральности полупроводника в приграничной области, поскольку в электронном полупроводнике остается нескомпенсированный положительный заряд доноров, а в акцепторном полупроводнике – нескомпенсированный отрицательный заряд акцепторов. Между этими объемными зарядами (обедненные слои) возникает контактная разность потенциалов φ_К и электрическое поле напряженностью Е_Диф, которое препятствует дальнейшей диффузии основных носителей заряда – возникает потенциальный барьер. По мере роста нескомпенсированных зарядов доноров и акцепторов потенциальный барьер увеличивается и основным носителям становится труднее его преодолевать, что приводит к уменьшению диффузионных потоков электронов и дырок.

Возникшие в приграничных областях р-п перехода неосновные носители заряда, совершая тепловые колебания, могут попасть под действие возникшего электрического поля, которое подхватывает их и переносит через границу в соседний полупроводник, где они опять становятся основными носителями заряда. Такие потоки неосновных носителей заряда создают дрейфовые токи электронов J_nДр и дырок J_pДр, направленные противоположно диффузионным токам. По мере нарастания напряженности электрического поля дрейфовые токи будут возрастать. Состояние термодинамического равновесия наступит тогда, когда потоки неосновных носителей заряда уравновесят потоки основных носителей.

В общем случае через границу полупроводников проходят четыре тока: два диффузионных за счет основных носителей (J_nДиф и J_pДиф) и два дрейфовых (J_nДр, J_pДр) за счет неосновных носителей. В состоянии равновесия сумма этих токов должна быть равна нулю:

J_nДиф + J_pДиф + J_nДр + J_pДр = 0 (4.1)

В состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми (Е_Fn и Е_Fр) в обоих полупроводниках проходит на одной высоте. Это приводит к искривлению энергетических зон и образованию потенциального барьера еφ_К. Электрону, находящемуся на дне зоны проводимости донорного полупроводника, для перехода в акцепторный полупроводник необходимо преодолеть этот потенциальный барьер, в то время как электроны, находящиеся в зоне проводимости акцепторного полупроводника, свободно “скатываются” в донорный полупроводник.

Величина контактной разности потенциалов φ_К может быть определена из выражения:

, (4.2)

где k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

е – заряд электрона;

р_р, n_n, - равновесная концентрация дырок и электронов в акцепторном и

донорном полупроводниках, соответственно;

n_i – концентрация собственных носителей заряда.

Выражение (4.2) с учетом зависимости концентрации собственных носителей заряда от температуры и ширины запрещенной зоны:

, (4.3)

где ΔЕ – ширина запрещенной зоны полупроводника;

N_C, N_V – число эффективных состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно.

Из выражения (4.3) можно сделать следующие выводы:

• высота потенциального барьера р-п перехода тем больше, чем больше ширина запрещенной зоны полупроводника;

• высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примеси в соответствующих областях;

• с увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.

В зависимости от соотношения между шириной области пространственного заряда и толщиной слоя, в котором происходит изменение концентрации и типа примесных атомов, р-п переходы делятся на резкие и плавные.

В резком р-п переходе толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины области пространственного заряда. Резкий р-п переход получают методами сплавления, эпитаксии и ионной имплантацией.

Ширина области объемного заряда резкого р-п перехода в при условии термодинамического равновесия можно определить из:

(4.4)

где ε – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника;

ε₀ – диэлектрическая постоянная;

Если же толщина области изменения концентрации примеси соизмерима с толщиной области пространственного заряда, то такой переход называют плавным. Плавный р-п переход получают методами диффузии.

Ширина области объемного заряда линейно плавного р-п перехода в при условии термодинамического равновесия можно определить из:

, (4.5)

где а = grad N(x) = const - изменение концентрации примеси вдоль р-п перехода.