2.3.2. Эдп при отсутствии внешнего напряжения

До соприкосновения двух полупроводников с различными типами проводимости электроны, дырки и неподвижные ионы были распределены равномерно.

При образовании ЭДП через плоскость контакта возникают диффузионные потоки основных носителей заряда, вызванные их неравномерной концентрацией: электронов из n-слоя в слой p и дырок из p-слоя в n-слой.

Диффундирующие электроны и дырки, попадая в области, где они являются неосновными носителями зарядов, интенсивно рекомбинируют. Вследствие этого концентрация свободных носителей зарядов в области, прилегающей к плоскости контакта, резко снижается до собственной. Это приводит к образованию на границе ЭДП тонкого (несколько микрометров), так называемого запорного (запирающего) слоя, обладающего высоким сопротивлением.

Уход основных носителей из приграничной области приводит к тому, что избыточные электрические заряды неподвижных доноров и акцепторов, связанных с решетками полупроводника, оказываются нескомпенсированными, то есть по обе стороны границы раздела двух полупроводников создаются объемные заряды различных знаков.

В области n положительный электрический заряд образован главным образом положительно заряженными атомами донорной примеси и в небольшой степени пришедшими в эту область дырками.

В области p отрицательный объемный заряд образован отрицательно заряженными атомами акцепторной примеси и отчасти пришедшими электронами.

Между образовавшимися объемными зарядами возникают контактная разность потенциалов и электрическое поле. Таким образом возникает потенциальный барьер, препятствующий диффузионному переходу носителей (рис. 2.8).

Рис. 2.8. Схема образования p-n-перехода при отсутствии внешнего

напряжения и его потенциальная диаграмма

На рис. 2.8 обозначено: контактная разность потенциалов _к = _n - _p, вектор напряженности электрического поля Е_к, толщина p-n-перехода l. Высота потенциального барьера на p-n-переходе определяется контактной разностью потенциалов _к, которая в свою очередь зависит от концентрации примесей в этих областях:

(2.3)

где – тепловой потенциал,

, (2.4)

где к – постоянная Больцмана (к = 1,3810^-23 Дж/К = 8,610^-5 эВ/К);

Т – абсолютная температура, К;

q – заряд электрона (q = 1,610^-19 Кл);

n_n, n_p – концентрация электронов и дырок в n- и p-областях;

n_i – концентрация носителей в нелегированном полупроводнике.

Чем больше концентрация примесей, тем больше концентрация основных носителей и тем большее их число диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, увеличиваются _к и высота потенциального барьера, при этом l уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях меньшей толщины. Для германия, например, при средней концентрации примесей _к = 0,3-0,4 В и l = 10^-4-10^-5 см, а при больших концентрациях, создаваемых в некоторых приборах, _к ≈ 0,7 В и l1=110^-6 см.

Одновременно с диффузионным перемещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электрического поля контактной разности потенциалов (дрейф). Движение носителей под действием электрического поля называется дрейфом носителей. Это поле перемещает дырки из n-слоя в p-слой, и наоборот, электроны из p-слоя обратно в n-слой, т.е. происходит движение неосновных носителей.

При постоянной температуре p-n-переход находится в состоянии динамического равновесия, при котором i_др = i_диф.

Таким образом, в p-n-переходе возникает слой, называемый запирающим и обладающий большим сопротивлением по сравнению с сопротивлением остальных объемов p- и n-полупроводников.