Вопрос 9. P-n переход. Структура. Больцмановское равновесие. Зонная диаграмма p-n-перехода. Высота потенциального барьеба.

Рассмотрим контактирующую область между областями полупроводника разного типа электропроводности:

Si: Т=300К, N_Д=10¹⁶см^3, N_А=10¹⁶см^3.

Pp0 и nn0 - основные заряды для своего слоя, np0 и рn0 - неосновные заряды. Главное требование - слои являются частями целостного кристалла, что исключает дефекты кристаллической структуры в области контакта слоев.

Правило – концентрации не имеют разрывов (иначе jdn(x)/dx=).

Из – за неравномерности концентрации рp0 >> рn0 и np0 << nn0 возникает диффузионное движение основных зарядов

а) дырок из р—области в n-слой

б) электронов из n—области в p-слой

З а счёт диффузии основных зарядов в противоположные слои и их рекомбинации с диффундирующими противоположными зарядами в приграничных областях образуются нескомпенсированные заряды ионов примесей. Эта область пространственных зарядов (ОПЗ) и является p – n переходом.P-n переход – область нескомпенсированных ионов примесей в контактном слое.ОПЗ образует внешнее электрическое поле, которое приводит к появлению встречных дрейфовых токов неосновных зарядов – электронов из р-области и дырок из n-области.

Физика p-n перехода:

1)градиенты концентраций при контакте слоев с разным типом электропроводности вызывают диффузию и рекомбинацию,

2)диффузия и рекомбинация приводят к образованию ОПЗ,

3)ОПЗвнутреннее электрическое поле ионов примеси (Физика, школьный курс: q  E),

4)электрическое поле вызывает встречный дрейф,

5)дрейфовые и диффузионные токи уравновешены – Больцмановское равновесие.

Больцмановское равновесие:

Высота потенциального барьера p-n перехода в равновесном состоянии

Положение уровней Ферми в контактирующих слоях ,

. Закон действующих масс для слоёв p и n-типа:

. Высоту потенциального барьера определим из условия:

Эти выражения определяют равновесную высоту потенциального барьера как функцию отношения равновесных концентраций основных и неосновных однотипных зарядов.

Концентрация неосновных зарядов через концентрации основных и равновесную высоту из предыдущей формулы:

Вопрос 10. Зарядовая модель p-n-перехода . Равновесная ширина p-n-перехода. Граничная равновесная концентрация неосновных зарядов.

Равновесная ширина.

Граничная равновесная концентрация неосновных зарядов.

Вопрос 11. Прямое смещение p-n-перехода. Граничная неравновесная концентрация неосновных зарядов.

И нжекция.

П ри подключении внешнего напряжения равновесие перехода нарушается, через p-n переход протекает ток. Когда внешняя ЭДС приложена плюсом к p-слою (встречно внутренней ЭДС), высота потенциального барьера уменьшается. Напряжение такой

полярности называется прямым. За счёт уменьшения высоты потенциального барьера Iпр увеличивается. Для ограничения тока необходимо установить внешний резистор. Больцмоновское равновесие нарушается в пользу диффузии основных зарядов: дырок p-слоя и электронов из n-слоя. Концентрация основных зарядов велики. Прямой ток может быть достаточно большим.

Граничная неравновесная концентрация неосновных зарядов.

P po и Pno – граничные концентрации неосновных зарядов. Граничная концентрация неосновных зарядов превышают равновесные концентрации вследствие нарушения Больцмоновского равновесия. Такое увеличение концентрации неосновных зарядов называется инжекцией.

В зависимости от соотношения концентраций инжектированных неосновных зарядов и концентрации основных зарядов различают три уровня инжекции:

1) Высокий Pn(0) >>Nno

2) Средний Pn(0)приближённо равно Nno 3) Низкий Pn(0)<< Nno