ВУЗ: Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники
Категория: Учебное пособие
Дисциплина: Электроника
Добавлен: 23.10.2018
Просмотров: 11076
Скачиваний: 27
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 гра-
нице, уменьшится концентрация свободных электронов и «обна-
жатся» 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
n
p
n
n
− существенно меньше
разницы
p
n
p
p
−
, 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 объ-
емные 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
показано на рис. 2.3,
б
, т.е. пренебречь наличием свободных но-
сителей в переходе и считать его границы совпадающими с гра-
63
ницами обедненного слоя. Такая идеализация существенно уп-
рощает решение многих задач, за исключением, конечно, тех, ко-
торые непосредственно связаны с анализом потоков носителей.
Переход в целом, разумеется, нейтрален, т.е. отрицательный за-
ряд в левой части и положительный заряд в правой части одина-
ковы. При этом условии различие в концентрациях акцепторной
и донорной примесей неизбежно связано с различием в протя-
женности обоих зарядов: в слое с меньшей концентрацией при-
меси (в нашем случае в
n
-слое) область объемного заряда должна
быть шире. Иначе говоря, несимметричный переход сосредото-
чен в высокоомном слое.
Особое внимание следует обратить на тот факт, что
внутри
-
p n
перехода имеется участок с собственной (т.е.
сильно пониженной по отношению к основным слоям) прово-
димостью, так как в области перехода отсутствуют подвиж-
ные заряды, 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
диодной структуры. Участок с собственной проводимостью в
общем случае не совпадает с металлургической границей, а сдви-
нут в сторону того слоя, где сосредоточен переход. Пространст-
64
венные заряды в переходе образуют электрическое поле, которое
направлено 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 еди-
ным, данное условие было обосновано в первой главе, а это
должно приводить к неизбежному искривлению зон, расщеп-
лению электростатических потенциалов и образованию по-
тенциального барьера.
Напомним, что такой барьер образуется
также при ступенчатой неоднородности в полупроводнике с не-
изменным типом проводимости (рис. 1.29,
б
). Если воспользо-
ваться образной интерпретацией движения носителей в зонах, то
равновесное состояние перехода можно охарактеризовать сле-
дующим образом. Основная масса дырок p -слоя диффундирует
слева направо в область перехода, но не может преодолеть по-
тенциальный барьер и, проникнув в переход на некоторую глу-
бину, «отражается» и возвращается в p -слой (рис. 2.6).
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 ио-
низированные атомы акцепторов (слева) и доноров (справа). Как
известно, уровни этих ионов расположены вдоль всего соответст-
вующего слоя, но мы показываем их только в пределах перехода,
чтобы подчеркнуть нескомпенсированность зарядов ионов на
этих участках и тем самым подчеркнуть, что в переходе нет под-
вижных 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 заполнения
этой зоны электронами. Поэтому если справа от точки
а
электро-
ны компенсируют положительный заряд донорных ионов и слой
n
нейтрален, то слева от точки
а
концентрация электронов резко
падает и такой компенсации нет. Аналогичные условия создают-
ся на участке справа от точки
в
по отношению к акцепторным
ионам. Очевидно, что ионы, показанные на рис. 2.5,
б
, создают
пространственный заряд.