logo

Образование электронно-дырочного перехода

Электронно-дырочным переходом (р-п переходом) называют переходной слой между двумя слоями полупроводника с разным типом электропроводности, 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 возникает 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.2.2 а). Диффундирующие носители заряда создают диффузионные токи JnДиф и JpДиф. 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 φК и электрическое поле напряженностью ЕДиф, 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 элект ронов JnДр и дырок JpДр, 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 (JnДиф и JpДиф) и два дрейфовых (JnДр, JpДр) за счет неосновных носителей. В состоянии равновесия сумма этих токов должна быть равна нулю:

JnДиф + JpДиф + JnДр + JpДр = 0 (2.1)

В состоянии термодинамического равновесия уровень Ферми (ЕFn и ЕFр) в обоих полупроводниках имеет одинаковое значение. Это приводит к искривлению энергетических зон и образованию потенциального барьера еφК. 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 φК может быть определена из выражения:

, (2.2)

где k – постоянная Больцмана;

T – абсолютная температура;

е – заряд электрона;

рр, nn, - равновесная концентрация дырок и электронов в акцепторном и

донорном полупроводниках, соответственно;

ni – концентрация собственных носителей заряда.

Выражение (2.2), с учетом зависимости концентрации собственных носителей заряда от температуры и ширины запрещенной зоны, преобразуется к виду:

, (2.3)

где ΔЕ – ширина запрещенной зоны полупроводника;

NC, NV – число эффективных состояний в зоне проводимости и валентной зоне соответственно.

Из выражения (2.3) можно сделать следующие выводы:

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:

(2.4)

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:

, (2.5)

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