- •Теоретический минимум к лабораторному практикуму по физике твердого тела
- •1. Элементы квантовой механики
- •1.1. Гипотеза де Бройля. Волновые свойства вещества
- •1.2. Соотношение неопределенностей
- •1.3. Уравнение Шрёдингера
- •1.4. Смысл пси-функции
- •1.6. Состояние электрона в атоме. Квантовые числа
- •2.1. Некоторые сведения из квантовой статистики
- •1.7. Принцип Паули
- •2. Элементы квантовой статистики
- •2.2. Вырожденный электронный газ в металлах
- •3. Элементы физики твердого тела
- •3.1. Понятие о зонной теории твердых тел
- •3.2. Металлы, полупроводники, диэлектрики
- •3.3. Собственная проводимость полупроводников
- •3.4. Примесная проводимость полупроводников
- •3.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход)
- •3.6. Светодиоды
- •3.7. Фотопроводимость полупроводников
- •Библиографический список
- •Теоретический минимум к лабораторному практикуму по физике твердого тела
- •394026 Воронеж, Московский просп., 14
3.5. Контакт электронного и дырочного полупроводников (р-n переход)
В современной электронике большую роль играет контакт двух полупроводников с различными n-ир- типами проводимости. Такой контакт называетсяэлектронно-дырочным переходом или р-n- переходом.
Эти переходы имеют большое практическое значение, являясь основой работы многих полупроводниковых приборов, используемых для выпрямления переменных токов, а также и для генерирования и усиления высокочастотных токов. Практически р-n-переход в кристалле полупроводника осуществляется в виде узкой переходной области от одного типа проводимости к другому.
Рассмотрим контакт примесных
полупроводников n-ир-типа, полученных из одного и
того же собственного полупроводника с
энергией активации
за счет внедрения донорных и акцепторных
примесей. На рис. 3.13 показаны энергетические
зоны и уровни Ферми этих полупроводников
до приведения их в контакт, а такжеработы выхода электронов
и
,
,
равные расстояниямот уровней Ферми
до общего нулевого уровня энергии
электронов.
|
п- полупроводник |
р- полупроводник |
|
Рис. 3.13 | |
Уровни Ферми находятся ниже «дна» зоны
проводимости на расстояниях
и
(
и
).
При контакте полупроводников происходит переход электронов из n-полупроводника вр-полупроводник, а дырок – в обратном направлении. Этот процесс принимает равновесный характер, когда уровни Ферми в обоих полупроводниках выравниваются и система в целом становится термодинамически равновесной.
В контактном слое толщиной
полупроводникаn-типа образуется
положительный объемный заряд ионов
донорной примеси, а в контактном слое
толщиной
полупроводникар- типа создается отрицательный
объёмный заряд ионов акцепторной примеси
(рис. 3.14). Между полупроводниками возникает
внутренняя контактная разность
потенциалов
.

Рис. 3.14
Переход электрона из n-вр- полупроводник через задерживающее
его электрическое поле контактного
слоя приводит к увеличению потенциальной
энергии электрона на величину, равную
.
В состоянии термодинамического
равновесия, изображённом на рис 3.14,
.
(3.11)
Соответственно за пределами контактного
слоя толщиной
«дно» зоны проводимости и «потолок»
валентной зоны вр- полупроводнике
располагается выше, чем вn-полупроводнике, на величину
.
В условиях равновесия через контакт переходят только те основные носители, энергия которых больше высоты потенциального барьера. Концентрация основных носителей, способных преодолеть потенциальный барьер, в полупроводнике n-типа будет равна
,
(3.12)
где
–
концентрация электронов в полупроводникеn-типа. Концентрация
дырок, способных преодолеть потенциальный
барьер в полупроводникер-типа будет
равна
,
(3.13)
где р– концентрация дырок в полупроводникер-типа.
Поток основных носителей через р-n- переход представляет собой диффузионный ток.Одновременно с движением основных носителей заряда черезр-n-переход движутся неосновные носители, причём их поток противоположен потоку основных носителей. Неосновные носители не встречают потенциального барьера в областир-n-перехода, наоборот, если благодаря тепловому движению неосновной носитель заряда попадаёт в областьр-n-перехода, то электрическое поле в нем способствует его движению из одного кристалла в другой.Поток неосновных носителей через р-n- переход создает дрейфовый ток. В условиях равновесия эти токи равны по величине, а так как они направлены в противоположные стороны, то результирующий ток через переход равен нулю.
Внешнее напряжение, приложенное к переходу, нарушает равновесие, результирующий ток становится отличным от нуля.
Когда к р-n-переходу приложено обратное напряжение
– кn-полупроводнику
(+), а кр-полупроводнику (-), высота
потенциального барьера для основных
носителей увеличивается на
(рис. 3.15).
|
|
|
|
Рис. 3.15 |
Рис. 3.16 |
Это еще больше затрудняет переход
основных носителей заряда через контакт.
Концентрации свободных носителей,
способных преодолеть потенциальный
барьер
станут равными
,
.
(3.14)
Диффузионный ток уменьшится, а дрейфовый останется практически без изменений, поэтому результирующий ток Jчерезр-n-переход не будет равен нулю. Через переход пойдет ток равный разности дрейфового и диффузионного токов, который называетсяобратнымтоком. Обратный ток черезр-n-переход при комнатной температуре очень мал, так как он обусловлен концентрацией неосновных носителей заряда.
Когда к р-n-переходу приложено прямое напряжение – (-) кn- полупроводнику и (+) – кр- полупроводнику (рис. 3.16) – концентрации основных носителей заряда, способных преодолеть этот барьер, увеличатся и станут равными
,
.
(3.15)
Результирующий ток через р-n-переходJ, который в этом случае называетсяпрямым, с ростом прямого напряжения будет расти экспоненциально.
Зависимость тока через р-n-переход от приложенного к нему напряжения называется вольт-амперной характеристикой (Рис. 3.17).

Рис. 3.17
Уравнение этой характеристики имеет такой вид
,
(3.16)
где
–
внешнее напряжение, приложенное кр-n-переходу с учетом знака,
–
значение, к которому стремится обратный
ток при увеличении обратного напряжения.
Коэффициент выпрямления может достигать значений ~ 109 , что свидетельствует о том, чтоp-nпереход обладает практически односторонней проводимостью, проявляя высокие выпрямляющие свойства. Поэтомуp-n переход называют полупроводниковым диодом. С ростом температуры выпрямляющая способностьp-nперехода уменьшается и при некоторой температуре исчезает совсем. Это объясняется тем, что концентрация основных носителей определяется концентрацией примесей и от температуры практически не зависит, а концентрация неосновных носителей резко увеличивается с повышением температуры. Таким образом, при нагревании можно достичь такой температуры, при которой концентрация неосновных носителей станет равной концентрации основных и потенциальный барьер исчезнет.




