17.Охарактеризуйте контакт электронного и дырочного полупроводников.

Соответствующим введением примесей в полупроводник можно создать такое их распределение, что одна часть кристалла будет полупроводником n-типа, а другая - полупроводником р-типа.

Электронно-дырочным переходом (р-n-переходом) называют слой полупроводника, располагающийся по обе стороны от границы раздела р и n-областей.

В зависимости от характера распределения примесей, различают резкий и плавный р-n-переходы. В резком р-n-переходе концентрация акцепторов и доноров изменяется скачкообразно на границе р- и n-областей (рис. 4.1, кривая 1).

В плавном переходе концентрация акцепторов и доноров является линейной функцией расстояния (рис. 4.1, кривая 2).

Относительно резкий р-n-переход можно создать при вплавлении примеси, плавный при диффузии.

Поскольку на границе раздела р- и n-областей имеется градиент концентрации свободных носителей заряда, то будет происходить процесс диффузии электронов в р-область и дырок в n-область. Это приводит к обеднению основными носителями заряда приграничных слоев и к возникновению объемных зарядов противоположного знака. В р-полупроводнике в приграничном слое падает концентрация дырок, а в n-полупроводнике концентрация электронов.

В резком р-n-переходе создаются обедненные слои ступенчатого объемного заряда (рис. 4.2), в плавном - линейного объемного заряда (рис. 4.2). Для случая на рисунках 4.2 и 4.3 концентрация акцепторов в р-области выше концентрации доноров в n-области. Толщины слоев обратно пропорциональны концентрациям примесей в областях полупроводника. Однако, при любых соотношениях концентрации примесей в областях полупроводника, сумма объемных зарядов в р- и n-областях равна нулю, т.е. площади под кривыми (x) равны между собой.

Считают, что концентрация равновесных основных носителей заряда в полупроводнике вне р-n-перехода равна концентрации примесей, т.е. примеси полностью ионизованы. Тогда равновесная концентрация электронов n_no в нейтральной части n-полупроводника равна N_D, а равновесная концентрация дырок p_po, в нейтральной части р-области равна N_A.

n_no=N_D , p_po=N_A. (4.1.1)

Для равновесных концентраций всегда справедлив закон действующих масс, поэтому произведение концентраций основных и неосновных носителей заряда в обеих частях р-n-перехода всюду одинаково и равноn_i²:n_no*p_no=n_po*p_po=n_i² (4.1.2)

На рис. 4.4 изображены зависимости концентраций основных и неосновных носителей заряда по обе стороны от резкого р-n-перехода и в самом резком р-n-переходе.

18.Рассмотрите р-n-переход в равновесном состоянии.

Концентрация дырок в р-области на несколько порядков превосходит концентрацию их в n-области, а концентрация электронов в n-области, на много превосходит концентрацию электронов в р-области. Такое различие в концентрации однотипных носителей в контактирующих областях полупроводника приводит к возникновению диффузионных потоков электронов из n-области в р-область и диффузионного потока дырок из р-области в n-область. При этом область n, из которой диффундировали электроны, заряжается положительно, а область р, из которой диффундировали дырки - отрицательно. Область же р-n-перехода обеднена основными носителями заряда. Неосновные носители заряда рекомбинируют с основными. Поскольку область р-n-перехода обеднена основными носителями заряда, то она будет обладать большим сопротивлением, чем электронейтральные р-n-слои. В целом же переход электронейтрален, т.к. положительный и отрицательный заряды в смежных слоях одинаковы. Поэтому наличие различий в концентрации примесей в смежных слоях приводит к различию в ширине областей занимаемых пространственными зарядами. В слое с меньшей концентрацией примеси ширина области пространственного заряда больше.

Нескомпенсированные заряды ионов примесей вызывают появление электрического поля направленного от положительного заряда к отрицательному, т.е. из слоя n в слой р. Это поле будет препятствовать дальнейшей диффузии. В равновесном состоянии диффузионные токи уравновешиваются дрейфовыми токами. Полный ток при этом через р-n-переход равен нулю.

Возникновение электрического поля в р-n-переходе приводит к появлению разности потенциалов между смежными слоями, которая называется контактной разностью потенциалов.

Рассмотрим зонную схему для равновесного состояния р-n перехода. Как было показано ранее, уровень Ферми является общим при контакте тел, находящихся в термодинамическим равновесии. Поэтому уровни Ферми в n- и р областях должны находиться на одинаковом уровне, что вызывает искривление энергетических зон. На рис. 4.5 показаны зонные схемы р- и n- полупроводников до соприкосновения. Зонная схема р-n-перехода в равновесном состоянии показана на рис. 4.6.

Образующаяся в р-n-переходе контактная разность потенциалов V_K создает в р-n-переходе потенциальный барьер qV_K=_o препятствующий переходу электронов из n-области в р-область, а дырок из р-области в n-область.

Ход электростатического потенциала противоположен ходу зон рис. 4.7.

Из закона действующих масс следует:

Из (4.2.4) и (4.2.5) можно получить

Подставим (4.2.6) и (4.2.7) в (4.2.2):

Следовательно, чем сильнее легированы области полупроводника, т.е. чем больше n_no=N_D и p_po=N_A, тем больше контактная разность потенциалов.

Из (4.2.8) можно получить формулы, выражающие равновесные концентрации неосновных носителей заряда через равновесные концентрации основных носителей заряда в противоположных областях: