Физика полупроводников - Лазарь С.С.
Скачать (прямая ссылка):
Можно создать р-п переход различными путями:
1) вблизи контакта полупроводника и металла, если ширина
запрещенной зоны полупроводника меньше разности работ выхода
полупроводника и металла (см. выше);
2) на поверхности полупроводника за счет примесных
уровней и дефектов;
3) на границе двух различных полупроводниковых
материалов с различным характером проводимости;
4) в объеме одного и того же материала, если в одной части он
легирован донорной примесью, а в другой - акцепторной (или,
если мы имеем дело с образцом с компенсированными примесями, в
одной части объема имеется избыток доноров, а в другой -
акцепторов).
Предположим вначале для простоты, что р-п переход образуется
путем создания механического контакта между двумя слитками
(дырочного и электронного германия) *>.
Итак, пусть два слитка германия (дырочный и электронный)
введены в соприкосновение друг с другом (рис. 1.21). Так как
работа выхода для электронов в п- германии меньше, чем в р-
германии, то с момента создания контакта возникает поток
электронов слева направо
*) В реальных выпрямителях р-п переход создается путем введения
(вплавлением или диффузией) в примесный электронный полупроводник
акцепторной примеси или в примесный дырочный полупроводник -
донорной примеси. Однако избранный путь рассуждения нам представляется
более наглядным.
70
и в n-германии создается слой по-
ложительного объемного заряда (с
полностью ионизованными донорами),
а в р-германии - слой отрицательного
объемного заряда (с полностью
занятыми акцепторами) (рис. 1.21,6).
Переход электронов будет
продолжаться до тех пор, пока
создавшаяся таким образом разность
потенциалов (рис. 1.21, г) не
скомпенсирует разность работ выхода и
уровни Ферми р- и п- слитков не
сравняются друг с другом (рис. 1.21, д)
(при этом заряды отрицательного и
положительного слоя будут одинаковы,
но толщина их может быть различной).
Основное отличие р-п перехода от рас-
смотренного раньше контакта по-
лупроводника и металла заключается в
том, что здесь возможны и дырочный и
электронный токи, причем в
равновесии потоки электронов и слева
направо и справа налево (и
соответствующие потоки дырок)
должны быть одинаковы. Нетрудно
убедиться, что при равенстве уровней
химического потенциала оба эти
условия одновременно
удовлетворяются. Действительно,
каждый электрон из p-области может
беспрепятственно перейти в п- область
(так как контактное поле будет гнать
его в этом направлении). Но число
электро-
Рис. 1.21. Контакт дырочный полупроводник
- электронный полупроводник (р-п
переход):
а - до установления равновесия; 6, в, г, д -
после установления равновесия (б - распре-
деление зарядов; в - поле; г - ход потенциала; д
- зонная диаграмма).
ТТ
W1
h
Т
Т
щ
а)
WAV/M
M
Г
+ + + +
6)
71
нов в p-области очень мало. Для того чтобы перейти из п-области в
p-область, электрон должен иметь энергию, достаточную, чтобы
преодолеть потенциальный барьер, и число таких электронов
опять-таки будет определяться расстоянием от дна зоны до уровня а
- а. Совершенно аналогичные рассуждения можно привести и для
дырок.
ВЫПРЯМЛЕНИЕ НА р-П ПЕРЕХОДЕ
Диффузия неравновесных носителей. Представим себе, что в
какой-либо точке или плоскости полупроводника каким-то образом
создается избыточная по сравнению с равновесной концентрация
носителей тока Ап0; тогда избыточные носители будут
диффундировать вглубь и по мере удаления от этой точки их
концентрация будет спадать за счет рекомбинации по
экспоненциальному закону
X
Ап(х) = Ап0е L, (1-91)
где константа L - диффузионная длина, т. е. расстояние, на
котором неравновесная концентрация уменьшается в е раз.
Теория показывает, что диффузионная длина выражается через
коэффициент диффузии и время жизни носителей т следующим
образом:
L^VTti. (1.92)
Упрощающие предположения. Для облегчения дальнейшего
анализа предположим, что так как уровень Ферми в запорном слое
удален_от свободной и заполненной зон, то концентрация й
электронов и дырок в нем (запорном слое) значительно меньше, чем
во всем объеме полупроводника. Поэтому мы будем считать, что он
представляет основное сопротивление для тока, а падением
напряжения в толще полупроводника можно пренебречь.
Предположим далее, что диффузионные длины дырок и
электронов значительно больше толщины запорного слоя и что
рекомбинация в нем, а также поверхностная рекомбинация
на границе р- и л-области не
играют существен
ной роли *К
*) Последнее условие не всегда соответствует реальной картине явления.
На практике различают тонкие р-п переходы, для которых предположения,
сделанные выше, правомерны, и толстые, для которых эти условия не
соблюдаются.
72
При этих условиях можно упростить схему зонной структуры р-
п перехода и представить ее так, как она изображена на рис. 1.22 (т.
е. сжать всю область объемного заряда в одну вертикальную
