4.2. Образование и свойства p-n-перехода

Электронно-дырочный переход (сокращенно p-n-переход) является основным элементом полупроводниковых диодов, транзисторов и интегральных схем. Он находится на границе между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную (n), а другая – дырочную (p) электрические проводимости, т.е. соответственно n-или p-области. Однако его нельзя создать простым соприкосновением полупроводниковых пластин n-или p-типов, так как при этом неизбежен промежуточный слой воздуха, окислов или поверхностных загрязнений. Переход создается в кристалле полупроводника с помощью технологических процессов (например, сплавления, диффузии), в результате которых граница раздела между областями p- и n-типов находится внутри полупроводникового монокристалла.

На рис. 4.1 условно показан кристалл, одна часть объема которого имеет дырочную электропроводность, а другая – электронную.

До установления термодинамического равновесия между p- и n-областями и в отсутствие внешнего электрического поля в таком переходе протекают следующие физические процессы. Поскольку концентрация дырок в p-области гораздо выше их концентрации в n-области, то дырки из p-области диффундируют в n-область.

Однако, как только дырки попадают в n-область, они начинают рекомбинировать с электронами, основными носителями зарядов в n-области, и их концентрация по мере углубления быстро убывает. Аналогично электроны из n-области диффундируют в p-область. Таким образом, в p-n-переходе возникает ток диффузии

I_диф = I_{р диф} + I_{n диф},

направление которого совпадает с направлением диффузии дырок. Если бы дырки и электроны являлись нейтральными частицами, то их взаимная диффузия привела бы к полному выравниванию концентрации дырок и электронов по всему объему кристалла, и p-n-переход, как таковой, отсутствовал бы.

Встречная диффузия подвижных носителей заряда приводит к появлению в n-области нескомпенсированных положительных зарядов ионов донорной примеси, а в p-области - отрицательных зарядов ионов акцепторной примеси, связанных с кристаллической решеткой полупроводника (рис. 4.1, б).

Рис. 4.1. Идеальный плоскостной p-n-переход: а – отдельные p- и n-полупроводники; б – схематическое изображение идеального плоскостного p-n-перехода; в – распределение плотности объемных зарядов; г – распределение потенциала; д – распределение электронов проводимости и дырок; + , – – ионы; «+», «–» – дырки и электроны

Распределение объемной плотности указанных зарядов _об показано на рис. 4.1, в. Таким образом, на границе областей образуются два слоя равных, но противоположных по знаку зарядов. Образовавшаяся область пространственных зарядов (ОПЗ) и представляет собой p-n-переход. Его ширина обычно равна d_p-n = 10^–3 – 10^–4 мм. Объемные (пространственные) заряды в переходе образуют электрическое поле, направленное от положительно заряженных доноров к отрицательно заряженным акцепторам, т.е. от n-области к p-области. Между p- и n-областями устанавливается разность потенциалов U_к, зависящая от материала и уровня легирования. Например, U_к для германиевых p-n-переходов составляет 0,3 ÷ 0,4 В, а для кремниевых 0,7 ÷ 0,8 В.

Так как электрическое поле неподвижных зарядов p-n-перехода при термодинамическом равновесном состоянии препятствует диффузии основных носителей заряда в соседнюю область, то считают, что между p- и n-областями устанавливается потенциальный барьер φ_о, распределение потенциала которого вдоль структуры p-n-перехода показано на рис. 4.1, г.

Высоту потенциального барьера φ_о (т.е. контактную разность потенциалов U_к) можно определить, используя разность работ выхода _p и _n соответственно для полупроводников p- и n-типа.

,

где q – элементарный заряд.

Образовавшийся потенциальный барьер высотой φ_о препятствует движению основных носителей заряда через него. Но в полупроводнике определенного типа наряду с основными носителями всегда имеются неосновные носители (например, для полупроводника p-типа неосновными носителями будут электроны). Электрическое поле напряженностью Е_о = φ_о / d_p-n, во-первых, выталкивает из перехода подвижные носители заряда в «свою область», т.е. электроны в n-область, дырки в p-область; во-вторых, способствует переходу неосновных носителей из толщи полупроводника в соседнюю область (электронов из p-области в n-область, дырок из n-области в p-область), т.е. является ускоряющим для неосновных носителей заряда. В поле напряженностью Е_о происходит дрейф неосновных носителей, т.е. возникают дрейфовые токи электронов и дырок.

Ток, создаваемый неосновными носителями, называется тепловым, или дрейфовым. Он состоит, как и диффузионный ток, из двух составляющих: электронной I_0n и дырочной I_{0 p}.

.

Тепловой ток не зависит от величины напряжения на p-n-переходе, т.е. является током насыщения неосновных носителей, и имеет малую величину. По своему направлению тепловой ток противоположен току диффузии, поэтому общий ток p-n-перехода равен I_p-n = I_диф – I₀, считая положительным (прямым) направлением тока направление диффузионного тока.

При разомкнутом (или замкнутом) p-n-переходе в условиях термодинамического равновесия и в отсутствие внешнего поля полный ток через электронно-дырочный переход равен нулю

,

т.е. ток диффузии становится равным по абсолютному значению тепловому току: I_диф = I₀.

Основные носители заряда при встречной диффузии рекомбинируют в приконтактных областях p-n-перехода, что приводит к образованию в этом месте обедненного подвижными носителями заряда слоя, который обладает малой удельной проводимостью (как беспримесный или собственный полупроводник) и поэтому называется обедненным или запирающим слоем х₃ (рис. 4.1, д).

Например, если в создаваемых p-n-переход участках кремния концентрация основных носителей n_nо и p_pо составляет 10¹⁶ см^–3, а неосновных p_nо и n_pо – порядка 10¹⁰ см^–3, то в плоскости контакта концентрация основных носителей n_nо и p_pо снижается до n_i = p_i = 10¹³ см^–3, т.е. оказывается на три порядка ниже, чем вдали от перехода.

Ширину p-n-перехода можно определить из выражения

,

где ₀ – диэлектрическая постоянная воздуха;  – относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника; N_D ≈ n, N_A ≈ p – концентрация донорной и акцепторной примесей соответственно; е – заряд электрона.

Обычно концентрация примесей в одной области перехода в 100 – 1000 раз больше, чем в другой (несимметричный p-n-переход). В этом случае ширина части перехода, расположенная в области с малой концентрацией примеси, оказывается в 100 – 1000 раз больше ширины той части перехода, которая расположена в области с большей концентрацией примеси. Тогда выражение для несимметричной структуры перехода, например, когда N_A >> N_D, упрощается

.

Взаимная рекомбинация подвижных носителей заряда в p-n-переходе происходит с такой скоростью, что в любой точке по объему p-n-перехода будет соблюдаться примерное равенство: pn ≈ n_i². Такое состояние полупроводника называют равновесным. Ранее было сказано, что при равновесном состоянии полный ток через p-n-переход равен нулю.