3. Характеристики р-n-перехода полупроводникового диода

На рисунке 4 показано распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе. Если атомы доноров и акцепторов полностью ионизированы, то концентрация дырок в р-области равна концентрации акцепторов, а концентрация электронов в n-области равна концентрации доноров. Так как электроны и дырки являются свободными подвижными зарядами, то их концентрации в области р-n-перехода от pp до pn (или от nn до np ) изменяются плавно.

Рисунок 4 - Распределение концентраций электронов и дырок в р-n-переходе.

На рисунке 5 представлены распределения отрицательных и положительных зарядов в p-n-переходе. Атомы примесей прочно сидят на своих местах и не движутся под действием поля. В результате этого в р-п переходе образуется двойной слой зарядов: отрицательный заряд акцепторов в области р и равный ему по абсолютной величине положительный заряд доноров в области п. Так как акцепторы и доноры жестко связанны с кристаллической решеткой полупроводника, то в области раздела р- и n-областей концентрации акцепторов и доноров изменяются скачком (рисунок 5).

Изменение электрического заряда с отрицательного на положительный заряд в этой области полупроводника также происходит скачком. Переход в целом нейтрален, т. е. отрицательный заряд в левой его части и положительный заряд в правой его части одинаковы.

Рисунок 5 - Распределение объемных электрических зарядов вдоль р-n-перехода

Заряды экранируют толщу р и п областей кристалла от электрического поля. Поэтому вне р-п перехода, т. е. в толще р и п областей, электрического поля нет: в области п положительные заряды доноров скомпенсированы зарядами свободных электронов, в области р отрицательные заряды акцепторов скомпенсированы зарядами дырок (рисунок 5).

Область образовавшихся пространственных зарядов и есть область
p-n-перехода. Часто эту область называют обедненным или истощенным слоем из-за сильно пониженной концентрации подвижных носителей заряда.

Переход от области отрицательного объемного заряда к области положительного объемного заряда сопровождается изменением потенциала. Если за нулевой потенциал выбрать линию контакта двух полупроводниковых кристаллов различной проводимости, то потенциал кристалла с проводимостью типа p будет отрицательным, а потенциал кристалла с проводимостью типа n - положительным (рисунок 5).

С увеличением x, по мере перемещения из p-области в область отрицательного объемного заряда, отрицательный потенциал убывает до нуля. Причем максимальная скорость изменения потенциала соответствует границе раздела положительного и отрицательного объемных зарядов. При дальнейшем увеличением x в области положительного объемного заряда величина положительного потенциала увеличивается, а его скорость возрастания замедляется.

Рисунок 6 - Изменение потенциала в области объемного заряда и за ее пределами

За пределами положительного и отрицательного объемных зарядов в любом сечении p-области или n-области потенциал ц будет постоянным, максимальным по величине. Разность потенциалов, возникающую в р-n-переходе называют контактной разностью потенциалов цк или высотой потенциального барьера и обозначают или UK. Контактная разность потенциалов обусловлена градиентом концентрации носителей заряда. Физический смысл контактной разности потенциалов - это энергия, которой должен обладать свободный заряд, чтобы преодолеть потенциальный барьер:

(1)

где k = 1,38•1023Дж/К - постоянная Больцмана; е - заряд электрона; Т - абсолютная температура; рр и рn - концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; nр и nn - концентрации электронов в р- и n-областях соответственно, - температурный потенциал. При температуре Т = 270 С 0.025 В, для германиевого перехода 0,6 В, для кремниевого перехода 0,8 В.

Контактная разность потенциалов UK (или потенциальный барьер)
p-n-перехода приводит к образованию электрического поля. Оно неоднородное. Изменение величины напряженности электрического поля Е вдоль длины кристалла представлено на рисунке 7.

Рисунок 7 - Зависимость напряженности электрического поля Е в области р-n-перехода от координаты x

Напряженность электрического поля Е максимальна на границе р- и n-областей, где происходит скачкообразное изменение знака объемного заряда. В этом сечении полупроводника крутизна кривой ц(x) максимальна. Напряженность электрического поля представляет собою градиент потенциала, т. е. характеризуется скоростью изменения потенциала с изменением координаты. Поэтому максимальной крутизне кривой ц(x), точке ее перегиба, будет соответствовать максимальное значение напряженности электрического поля Е. При удалении от р- и n-областей напряженность поля убывает. Там, где объемный заряд равен нулю, электрическое поле отсутствует. Другими словами, заряды экранируют толщу р и п областей от электрического поля. Вне р-п перехода, т. е. в толще областей р и п, электрического поля нет: в области п положительные заряды доноров скомпенсированы зарядами свободных электронов, в области р отрицательные заряды акцепторов скомпенсированы зарядами дырок.