Неравновесное состояние полупроводника

Неравновесное состояние полупроводника возникает под влиянием каких-либо внешних воздействий, в результате которых концентрация носителей заряда в полупроводнике может измениться. Такими внешними воздействиями могут быть облучение светом, ионизирующее облучение, воздействие сильного элект­рического поля, приводящее к разрыву ковалентных связей, и ряд других.

В ре­зультате подобных воздействий в полупроводнике помимо равновесных носите­лей заряда, образующихся вследствие ионизации примесных атомов и тепловой генерации, появляются дополнительные носители заряда, которые называют не­равновесными, или избыточными. В полупроводниковых приборах неравновес­ное состояние в большинстве случаев возникает при введении в полупроводник (или выведении из него) дополнительных носителей заряда через электронно-ды­рочный переход. Введение через электронно-дырочный переход дополнительных носителей заряда называют инжекцией, а выведение — экстракцией.

Тема 2. Электронно-дырочный переход.

1.Формирование р-п-перехода

Электронно-дырочным переходом, или р-п-переходом, называют переходный слой, возникающий при контакте двух полупроводников с различным типом элек­тропроводности.

Получить р-п-переход непосредственным соприкосновением двух полупроводников практически невозможно, так как на их поверхности со­держится огромное количество примесей, загрязнений и всевозможных дефектов, резко меняющих свойства полупроводника.

Для создания р-п-переходов исполь­зуют различные технологические приемы, изменяющие тип электропроводности той или иной области монокристалла:

1-й способ - путем диффузии в монокристалл р-типа донорных примесей можно получить в нем область п-типа (рис. 1.61, а), расположенную левее сечения х₀.

2-й способ - выращивание на поверхности кристалла монокристал­лического слоя, повторяющего кристаллографическую ориентацию кристалла, но имеющего противоположный тип электропроводности (рис. 1.61, б), такие слои называют эпитаксиальными.

Границу х₀, разделяющую п- и р-области монокрис­талла, называют металлургической границей. Если на границе раздела концент­рация примесей скачком изменяется от N_d к N_a, (например, при эпитаксиальном наращивании слоев), то такой переход называют резким. Если вблизи металлургической границы концентрация примеси изменяется плавно, что имеет место при диффузии примеси, то такой переход называют плавным.

Если п- и р-области каким-либо образом разделены, то их энергетические диаграм­мы имеют вид:

В этом случае уровни Ферми разнесе­ны на величину Е_по = E_Fn - Е_Fр.

Уровень Ферми – энергетический уровень, который при абсолютном нуле температур разделяет полностью заполненные квантовые состояния от полностью незаполненных.

2.Р-п-переход при отсутствии внешнего напряжения.

При осуществлении металлургического контакта между п- и р-областями (рис. 1.62,6) вследствие различия концентраций однотип­ных носителей заряда возникают диффузионные потоки электронов из п-области в р-область и дырок из р-области в п-область.

При этом п-область заряжается по­ложительно, а р-область отрицательно, что приводит к понижению всех энергети­ческих уровней, в том числе и уровня Ферми в п-области, и повышению их в р-области.

Диффузия электронов слева направо и дырок справа налево происходит до тех пор, пока постепенно поднимающийся уровень Ферми в р-области не устано­вится на одной высоте с постепенно опускающимся уровнем Ферми в п-области.

В результате энергетическая диаграмма примет вид, показанный на рис. 1.62, в, при этом на границе раздела образуется энергетический барьер, высота которого рав­на разности уровней Ферми в неконтактируемом состоянии полупроводников:

Следствием диффузионного перемещения электронов и дырок является уменьшение их концентрации вблизи границы раздела х₀ (рис. 1.62, г), в результате чего между сечениями х„ и х_р образуется обедненный подвижными носителями заряда слой, в котором расположены положительные заряды доноров и отрицательные заряды ак­цепторов (рис. 1.62, д).

Электроны (и дырки), находясь в хаотическом движении, способны перемещать­ся через электронно-дырочный переход из одной области полупроводникового кристалла в другую, создавая потоки носителей заряда, обозначенные на рис. 1.62 цифрами от 1 до 4.

Потоки 1 и 3 называют потоками основных носителей заряда (ПОН), потоки 2 и 4 — потоками неосновных носителей заряда (ПНН).

Для ПОН поле в переходе является тормозящим. Поэтому переходить из п-области в р-об­ласть могут только те электроны, энергия которых выше , и, соответственно, переходить из р-области в п-область могут только те дырки, энергия которых ниже уровня .

Для ПНН поле в переходе является ускоряющим, поэтому все неоснов­ные носители заряда способны перемещаться из одной области в другую. При отсутствии на переходе внешнего напряжения ПОН и ПНН уравновешивают друг друга, поэтому ток через переход равен нулю.

Высота барьера равна контактной разности потенциалов и обычно состав­ляет десятые доли вольта. Чем больше концентрация примесей, тем выше кон­центрация основных носителей и тем большее число их диффундирует через границу. Плотность объемных зарядов возрастает, и увеличивается контактная разность потенциалов, т. е. высота потенциального барьера. При этом тол­щина п - р-перехода уменьшается, так как соответствующие объемные заряды образуются в приграничных слоях мень­шей толщины.

Одновременно с диффузионным пере­мещением основных носителей через границу происходит и обратное перемещение носителей под действием электри­ческого поля контактной разности по­тенциалов. Это поле перемещает дырки из п-области обратно в р-область и электроны из р-области обратно в п-область.

При постоянной темпе­ратуре п - р-переход находится в состоя­нии динамического равновесия. Каждую секунду через границу в противополож­ных направлениях диффундирует опре­деленное число электронов и дырок, а под действием поля столько же их дрейфует в обратном направлении.