Електронно-дірковий перехід
Область, що розділяє напівпровідник на дві частини з різнотипною провідністю, називаютьелектронно-дірковим переходом,абоp-n-переходом.
Рис.10
3.1. Формування p-n-переходу
Рис.11
На рис. 11: 1,2 – рух основних носіїв зарядів; 3,4 – потоки неосновних носіїв.
Існування p-n-переходу обумовлене різницею концентрацій рухливих носіїв заряду електронної й діркової областей. Внаслідок істотного розходження в концентраціях основних й неосновних носіїв струм, обумовлений основними носіями, буде переважати над струмом неосновних носіїв.
На границі розподілу тип домішки різко змінюється (рис.11, б). Вихід електронів з приконтактної n-області призводить до того, що їхня концентрація тут зменшується і виникає некомпенсований позитивний заряд іонів донорної домішки (рис.11, в).
Так само у p-області внаслідок виходу дірок їхня концентрація у приконтактному шарі зменшується і виникає некомпенсований негативний заряд іонів акцепторної домішки.
Таким чином, на межі областей n- й p-типу утворюється два шари протилежних за знаком зарядів. Область просторових зарядів, що утворилася, являє собою p-n-перехід.
Просторові заряди утворюють електричне поле, з напруженістю Е, спрямоване від позитивного заряджених іонів-донорів до негативно-заряджених іонів-акцепторів. Це поле прискорює основні заряди й гальмує неосновні.
Рис.13
На рис.13,б наведено графік розподілу напруженості поля в p-n-переході. Найбільша величина напруженості спостерігається в перетині x0, так як через цей перетин проходять всі силові лінії, що починаються на позитивних зарядах, розташованих лівіше, ніжx0. По мірі віддалення від перетинуx0вліво кількість некомпенсованих позитивних зарядів буде зменшуватися, відповідно буде зменшуватися напруженість поля. При віддаленні вправо – ситуація аналогічна, вважаючи закон зміни напруженості лінійним.
На рис.13,в наведена потенційна діаграма p-n-переходу. За нульовий потенціал прийнято потенціал у точці x0. За межами переходу відсутнє електричне поле.
Різниця потенціалів у p-n-переході дорівнює контактній різниці потенціалів Uk.
Його звичайно називають потенційнимбар’єром, так як він перешкоджає переміщенню основних носіїв заряду.
При кімнатній температурі деяка кількість основних носіїв заряду, в кожній з областей напівпровідника має енергію, достатню для подолання потенційного бар’єру. Це призводить до того, що через p-n-перехід дифундує (явище дифузії) незначна кількість електронів і дірок, утворюючи відповідно електричну і діркову складові електричного струму.
Через p-n-перехід безперешкодно проходять неосновні носії заряду, утворюючи при цьому електричну й діркову складові дрейфового струму.
У ізольованому напівпровіднику густина струму буде дорівнювати:
.
Енергетична діаграма p-n-переходу
Рис.14
Після утворення p-n-переходу й виникнення деякої контактної різниці потенціалів Uквстановилась теплова рівновага, при якій результуючий струм через p-n-перехід стає рівним нулю. При цьому ймовірність проходження носіїв заряду через p-n-перехід в обох напрямках стає однаковою. Енергетичні діаграми n- й p-областей напівпровідника в процесі встановлення теплової рівноваги змінюється одна відносно одної так, щоб рівень Фермі був постійним по всьому переходу, тобто рівень Фермі у p-областіWFpі рівень Фермі у n-областіWFn- повинні розташуватися у одну лінію
Висота потенційного бар’єру у p-n-переході визначається положенням рівня Фермі у n- й p-області, тобто концентраціями атомів донорної й акцепторної домішки.