ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 13583
Скачиваний: 22
61
а
б
в
Рис. 2.3 — Структура -
p n перехода: а — начальное состояние слоев;
б — пространственные заряды в реальном переходе;
в — пространственные заряды в идеализированном переходе;
— дырка, —
ионизированный акцептор, – — электрон,
— ионизированный донор
p
P
N
n
P
N
n
n
p
n
p-
n-
N
p
P
n
P
N
n
n
p
n
p-
n-
переход
пере-
N
p
P
n
P
n
n
p
n
p-
n-
переход
N
N
A
N
A
62
Дырки
из
области
с
повышенной
концентрацией
начнут
двигаться
в
глубь
полупроводника
n,
где
концентрация
ниже
.
По
мере
движения
дырки
будут
рекомбинировать
с
электронами
до
тех
пор
,
пока
их
концентрация
не
уменьшится
до
равновесной
.
Соответственно
в
области
,
прилегающей
к
металлургической
границе
,
уменьшится
концентрация
свободных
электронов
и
«
об
-
нажатся
»
некомпенсированные
положительные
ионы
донорных
атомов
.
Слева
от
границы
«
обнажатся
»
некомпенсированные
от
-
рицательные
ионы
акцепторных
атомов
,
поскольку
часть
дырок
перешла
отсюда
в
слой
n (
рис
. 2.3,
б
).
Аналогичные
рассуждения
действительны
для
электронов
слоя
n,
которые
частично
диф
-
фундируют
в
слой
р
.
Однако
в
несимметричном
переходе
,
в
ко
-
тором
n
p
n
p
<
,
диффузия
электронов
в
слой
р
малосущественна
,
поскольку
разность
концентраций
существенно
меньше
разницы
,
а
именно
этими
разностями
определяются
гра
-
диенты
концентраций
и
диффузионные
токи
.
Область
образо
-
вавшихся
пространственных
зарядов
и
есть
область
-
p n
перехо
-
да
.
Часто
эту
область
называют
обедненным
или
истощенным
слоем
,
имея
в
виду
резко
пониженную
концентрацию
подвижных
носителей
в
обеих
ее
частях
.
Однако
,
строго
говоря
,
переход
и
обедненный
слой
—
не
одно
и
то
же
:
область
перехода
несколько
шире
,
потому
что
объемные
заряды
и
связанное
с
ними
поле
зарождаются
уже
при
очень
небольшом
(
несколько
процентов
)
уменьшении
концентра
-
ции
носителей
по
сравнению
с
равновесной
,
тогда
как
понятию
обедненного
слоя
соответствует
спад
концентрации
носителей
,
по
крайней
мере
на
порядок
.
Промежуточные
участки
между
«
границами
»
обедненного
слоя
и
перехода
являются
участками
экранирования
основных
p -
и
n -
слоев
диода
от
поля
,
создавае
-
мого
зарядами
обедненного
слоя
.
При
перепаде
концентраций
носителей
на
три
порядка
и
более
протяженность
этих
участков
обычно
не
превышает
0,1
мкм
,
тогда
как
ширина
собственно
обедненного
слоя
,
как
увидим
ниже
,
в
несколько
раз
больше
.
Поэтому
есть
основания
идеализировать
переход
так
,
как
по
-
казано
на
рис
. 2.3,
б
,
т
.
е
.
пренебречь
наличием
свободных
носите
-
лей
в
переходе
и
считать
его
границы
совпадающими
с
границами
n
p
n
n
−
p
n
p
p
−
63
обедненного
слоя
.
Такая
идеализация
существенно
упрощает
ре
-
шение
многих
задач
,
за
исключением
,
конечно
,
тех
,
которые
непосредственно
связаны
с
анализом
потоков
носителей
.
Переход
в
целом
,
разумеется
,
нейтрален
,
т
.
е
.
отрицательный
заряд
в
левой
части
и
положительный
заряд
в
правой
части
одинаковы
.
При
этом
условии
различие
в
концентрациях
акцепторной
и
донорной
примесей
неизбежно
связано
с
различием
в
протяженности
обоих
зарядов
:
в
слое
с
меньшей
концентрацией
примеси
(
в
нашем
слу
-
чае
в
n -
слое
)
область
объемного
заряда
должна
быть
шире
.
Ина
-
че
говоря
,
несимметричный
переход
сосредоточен
в
высокоом
-
ном
слое
.
Особое внимание следует обратить на тот факт, что внут-
ри
-
p n
перехода имеется участок с собственной (т. е. сильно
пониженной по отношению к основным слоям) проводимо-
стью, так как в области перехода отсутствуют подвижные за-
ряды, обусловленные примесями.
Переход
Обедненный слой
p
n
p,n
10
18
10
14
10
10
10
6
10
2
p-полупроводник
n-полупроводник
Рис. 2.4 — Распределение носителей в несимметричном
переходе (полулогарифмический и линейный масштаб).
Пунктирными линиями показано распределение
в симметричном переходе
Область
перехода
является
наиболее
высокоомной
частью
ди
-
одной
структуры
.
Участок
с
собственной
проводимостью
в
общем
случае
не
совпадает
с
металлургической
границей
,
а
сдвинут
в
сто
-
рону
того
слоя
,
где
сосредоточен
переход
.
Пространственные
64
заряды
в
переходе
образуют
электрическое
поле
,
которое
направ
-
лено
так
,
что
оно
ограничивает
диффузию
носителей
.
В равновесном состоянии диффузионные потоки носите-
лей, обусловленные градиентами концентрации, в любой
точке равны дрейфовым потокам тех же носителей, обуслов-
ленным градиентом потенциала и направленным навстречу
диффузионным потокам.
Строгий
количественный
и
качественный
анализ
образова
-
ния
перехода
можно
провести
только
с
позиций
зонной
теории
.
Рассмотрим
-
p n
переход
с
точки
зрения
зонной
теории
.
В
отсутствие
контакта
p -
и
n -
слои
характеризуются
диаграммой
на
рис
. 2.5,
а
,
из
которой
видно
,
что
потенциалы
Ферми
имеют
разные
значения
.
ϕ
Fn
ϕ
V
φ
cn
ϕ
vp
ϕ
F
ϕ
Fp
ϕ
E
ϕ
С
ϕ
Ep
ϕ
En
ϕ
cp
p-полупроводник
n-полупроводник
ϕ
vn
Металлургическая граница
а
б
p-полупроводник
n-полупроводник
Рис. 2.5 — Зонная диаграмма слоев (а) и
-
p n
перехода
в равновесном состоянии (б)
65
При наличии контакта уровень Ферми в системе, нахо-
дящейся в термодинамическом равновесии, должен быть
единым. Данное условие было обосновано в первой главе,
а это должно приводить к неизбежному искривлению зон,
расщеплению электростатических потенциалов и образова-
нию потенциального барьера.
Напомним
,
что
такой
барьер
об
-
разуется
также
при
ступенчатой
неоднородности
в
полупровод
-
нике
с
неизменным
типом
проводимости
(
рис
. 1.29,
б
).
Если
вос
-
пользоваться
образной
интерпретацией
движения
носителей
в
зо
-
нах
,
то
равновесное
состояние
перехода
можно
охарактеризовать
следующим
образом
.
Основная
масса
дырок
p -
слоя
диффунди
-
рует
слева
направо
в
область
перехода
,
но
не
может
преодолеть
потенциальный
барьер
и
,
проникнув
в
переход
на
некоторую
глубину
, «
отражается
»
и
возвращается
в
p -
слой
(
рис
. 2.5,
б
).
Дырки
n -
слоя
независимо
от
энергии
беспрепятственно
«
всплывают
»
в
p -
слой
и
образуют
поток
справа
налево
.
Этот
по
-
ток
уравновешивается
встречным
потоком
дырок
p -
слоя
с
энер
-
гией
,
достаточной
,
чтобы
преодолеть
потенциальный
барьер
.
Ана
-
логичная
ситуация
имеет
место
по
отношению
и
к
электронам
.
Глубина
проникания
носителей
в
переход
тем
больше
,
чем
выше
их
энергия
.
В
области
перехода
на
рис
. 2.5,
б
показаны
ионизированные
атомы
акцепторов
(
слева
)
и
доноров
(
справа
).
Как
известно
,
уровни
этих
ионов
расположены
вдоль
всего
соот
-
ветствующего
слоя
,
но
мы
показываем
их
только
в
пределах
пе
-
рехода
,
чтобы
подчеркнуть
нескомпенсированность
зарядов
ионов
на
этих
участках
и
тем
самым
подчеркнуть
,
что
в
переходе
нет
подвижных
зарядов
.
В
самом
деле
,
расстояние
между
дном
зоны
проводимости
и
уровнем
Ферми
увеличивается
от
точки
а
влево
,
а
значит
,
на
участке
—
б
быстро
убывает
вероятность
за
-
полнения
этой
зоны
электронами
.
Поэтому
если
справа
от
точки
а
электроны
компенсируют
положительный
заряд
донорных
ионов
и
слой
n
нейтрален
,
то
слева
от
точки
а
концентрация
электронов
резко
падает
и
такой
компенсации
нет
.
Аналогичные
условия
создаются
на
участке
справа
от
точки
б
по
отношению
к
акцепторным
ионам
.
Очевидно
,
что
ионы
,
показанные
на
рис
. 2.5,
б
,
создают
пространственный
заряд
.