3. Зависимость уровня ферми от температуры

Рассмотрим зависимость положения уровня Ферми от температу­ры (рис. 3). Положение уровня Ферми в i-полупроводнике от температуры практически не за­висит. В n-полу­проводнике в рабо­чем диапазоне тем­ператур концентра­ция электронов от температуры прак­тически не зависит ("истощение приме­си"), поэтому уро­вень Ферми с ростом температуры смеща­ется вниз.

Рис.2.2 - Зависимость положения уровня Ферми от температуры

Однако, при температуре Т >T_max

полупроводник ведет себя как собственный, у которого уровень Ферми должен находится в середине запрещенной зоны. Чем меньше концентрация примеси, тем при меньшем значении температуры Т_mах происходит потеря свойств примесного полупроводника. Такой же вывод следует сделать и для р-полупроводника: уровень ε_F с ростом температуры смещается к середине запрещенной зоны. Однако имеется существенное различие в поведении уровня для германия и кремния, т.к. концентрация n_i в германии значительно больше, чем в кремнии, т.е. при одинаковой концентрации примеси значение Т_mах у германия будет ниже. Это объясняет тот факт, что кремниевые прибо­ры имеют более высокие рабочие температуры (до 150°С).

3. Энергетическая диаграмма p-n-перехода в равновесном состоянии

Рассмотрим рис.2.3. На диаграмме уровень Ферми _F не зависит от ко­ординаты х. К уровню Ферми "привязаны" границы зон проводимости и ва­лентной. Излом этих границ на величину Δ _к= q _к характеризует контактную разность потенциалов, которая является потенциальным барьером только для основных носителей обеих областей. Электрон 1, подошедший к грани­це обедненного слоя, не может перейти из n-области в р-об­ласть, т.к. его энергия недостаточна для преодоления барьера. В то же время элек­трон 2 преодолеет этот барьер.

Аналогичная картина с основными носителями - дырка­ми 1 и 2: первая – не преодолевает, а вто­рая - преодолевает барьер. Для неоснов­ных носителей (на­пример, электрона 3 и дырки 3) поле в пере­ходе является ускоряющим (нет барьера), и они переходят в противополож­ную область.

Рис.2.3 - Энергетическая диаграмма р-n

перехода в равновесном состоянии

2.5 Энергетическая диаграмма р-n-перехода в неравновесном состоянии

Энергетические диаграммы р-n-перехода для прямого и обратного на­пряжения показаны на рис. 2.4.

Уровень Ферми в р- и n-областях в отличие от диаграммы для равно­весного состояния располагаются на разной высоте, так что интервал между ними равен q|U|, т.е. пропорционален приложенному напряжению. Смещение границ зоны проводимости пропорционально высоте потенциального барьера и составляет q<p = q((pk - U) и поясняет соотношение диффузионных и дрейфовых потоков носителей в переходе.

Рис.2.4 - Энергетическая диаграмма р-n-перехода

в равновесном со­стоянии (а), энергетическая диаграмма р-n-р-перехода в неравновесном состоянии (б)

При прямом напряжении из-за снижения потенциального барьера на­рушается равенство диффузионных и дрейфовых потоков как дырок, таки электронов: диффузионный поток дырок из р-области в n-область преобла­дает над встречным дрейфовым потоком дырок из n-области, а диффузия электронов из n-области в р-область - над встречным дрейфом электронов из р-области. В результате происходит увеличение концентрации неосновных носителей вне перехода в р- и n-областях. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей.

При обратном напряжении из-за увеличении потенциального барьера происходит ослабление диффузионных потоков, по сравнению с состоянием равновесия. Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении (по­рядка десятых долей вольт) диффузионный поток становится настолько ма­лым, что дрейфовые потоки начинают преобладать над диффузионными. В результате дрейфа неосновных носителей происходит уменьшение концен­траций неосновных носителей у границ перехода: электронов в р-области и дырок в n-области. Это явление называется экстракцией (введением) не­основных носителей.