69003

P-n перехід у стані рівноваги. Утворення електронно-діркового переходу

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Розглянемо напівпровідник н п який має дві прилеглих області: одна з провідністю nтипу друга – pтипу. Оскільки концентрація дірок у дірковій області pp напівпровідника вище ніж в електронній pn а концентрація електронів у електронній області nn вище ніж у дірковій np між областями буде існувати...

Украинкский

2014-09-28

342.5 KB

4 чел.

3. P-n перехід у стані рівноваги

3.1. Утворення електронно-діркового переходу.

Розглянемо напівпровідник (н/п), який має дві прилеглих області: одна з провідністю n-типу, друга – p-типу. Між цими областями знаходиться перехідний шар (зона), який називають електронно-дірковий перехід або          p-n перехід.

Процеси, які відбуваються в цьому переході, лежать в основі роботи більшості н/п приладів. Розглянемо їх.

Оскільки концентрація дірок у дірковій області (pp) напівпровідника вище, ніж в електронній (pn), а концентрація електронів у електронній області (nn) вище, ніж у дірковій (np), між областями буде існувати градієнт (перепад) концентрацій носіїв. Він призводить до появи дифузійного струму дірок з        p-області в n-область (Ip диф) і дифузійного струму електронів з n-області в        p-область (In диф) (рис. 3.1, а).

З появою дифузійного струму концентрація носіїв зменшується, однак зрівняння концентрацій електронів і дірок не відбувається. Це пов’язано з тим, що наявність дифузійного струму призводить до порушення електричної нейтральності н/п: в p-області внаслідок переходу дірок виникає нескомпенсований негативний заряд нерухомих іонів акцепторів, в n-області внаслідок переходу електронів виникає нескомпенсований позитивний заряд іонів донорів. Тому між областями p- та n- виникають два шари, протилежних за знаком нерухомих зарядів, які й утворюють p-n перехід.   

Межа (лінія) розділу цих шарів називається металургійною межею.

Між шарами нерухомих зарядів p-n-переходу виникає внутрішнє поле E, спрямоване від n-області до р-області. Воно заважає дифузії основних носіїв заряду (електрони, які рухаються з електронної області в діркову, намагаються повернутись в електронну область, а дірки – в діркову).

У той же час це поле сприяє переміщенню неосновних носіїв заряду, тому що для них напрямок поля буде прискорюючим. Рух неосновних носіїв під дією внутрішнього поля Е призводить до появи дрейфового струму (рис. 3.1, б)

спрямованого протилежно дифузійному струму.

Коли струм дифузії (струм основних носіїв) та струм дрейфу (струм неосновних носіїв) будуть однаковими, виникає стан рівноваги.

Висновок: При відсутності зовнішнього поля електричне поле нерухомих носіїв заряду (іонів донорів і акцепторів) зрівноважує вплив градієнта концентрацій рухомих носіїв. Тому дифузійний струм переходу, який визначається градієнтом концентрації рухомих носіїв заряду, зрівноважується дрейфовим струмом, що визначається внутрішнім електричним полем нерухомих носіїв заряду домішок p-n переходу. Загальний струм через перехід дорівнюватиме нулю.

Це пояснює, чому не відбувається процес зрівняння концентрацій електронів та дірок у н/п з p і n  областями.

  1.  Властивості p-n переходу в стані рівноваги

Властивості p-n переходу визначаються розподілом концентрації носіїв, електричним полем переходу Е, контактною різницею потенціалів , шириною переходу  (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Симетричний p-n перехід:

а – структура; б – розподіл концентрацій; в – розподіл електричного поля;

г – розподіл потенціалу  

  1.   Розподіл концентрації носіїв

Як було зазначено вище, в області p існують іони акцепторів Na, дірки pp і електрони np.

*,               ,                 .

Концентрація дірок в області p дорівнюватиме pp, в p-n переході вона буде зменшуватись за експоненціальним законом (рис. 3.2, а), після переходу (в області n) вона дорівнюватиме pn.

Аналогічно в області n    

* ,              ,                 .

На металургійній межі p=n (точка 1), тобто буде виконуватись співвідношення, і тому в точці 1 н/п буде власним.

  1.   Електричне поле в p-n переході

Визначається наявністю нерухомих зарядів у переході.

Воно   розподілено   за   законом,  зображеним,   на   рис. 3.2, в:   зростає   з наближенням до металургійної межі, а потім спадає.

Максимальне значення напруженості електричного поля визначається за формулою

,

де - товщина шару p-n переходу в p-області,

    - товщина  шару p-n переходу в n-області.

  1.   Контактна різниця потенціалів

Як відомо, напруженість електричного поля між двома довільними точками p-n переходу (E) визначається градієнтом потенціалу між цими точками зі зворотнім знаком

,

де  - різниця потенціалів, а  - відстань між двома точками p-n переходу (рис. 3.2, г).

Різниця потенціалів між кінцевими точками p-n переходу називається контактною різницею потенціалів к

,

.

Контактна різниця потенціалів збільшується з концентрацією домішок, та зменшується зі збільшенням температури, тому що при цьому збільшується власна концентрація носіїв.

Значення контактної різниці потенціалів для германієвих переходів -         к = 0,36 В при Nа =1018 см -3, Nд =1014 см -3, T = 300оК; для силіцієвих переходів - к = 0,6 В.

Більше значення к для силіцію пов’язано з тим, що він має меншу, ніж у германію, власну концентрацію ni, яка визнається більш широкою забороненою зоною.

  1.   Розподіл зарядів та ширина p-n переходу

Як було зазначено раніше, p-n перехід складається з двох зон. Одна розташовується в p-області ліворуч від межі. У цій зоні існують нескомпенсовані негативні іони акцепторної домішки з концентрацією N, та невелика кількість неосновних носіїв-електронів. Товщину цієї зони позначимо , її заряд – Qa

.

Подібно в n-області виникає зона, яка має позитивні іони донорної домішки з концентрацією Nа та невелику кількість неосновних носіїв – дірок. Товщина цієї зони , а його заряд – Qд

.

Загальна товщина p-n переходу дорівнюватиме

                          мкм.                           (3.1)

 Таким чином, товщина переходу зростатиме з ростом контактної різниці потенціалів (к) та зменшенні концентрації акцепторів та донорів (Nа, Nд).

З формули (3.1) маємо, що для н/п з однаковими концентраціями донорів і акцепторів (Nа=Nд=N) товщина переходу дорівнюватиме (рис. 3.2, г)

,

Здебільшого н/п виготовляють з несиметричних структур, тобто концентрація домішок в n-області і p-області різна, наприклад, Nа >>Nд        (рис. 3.3). Тоді

.

Рис. 3.3.  Несиметричний p-n перехід

У цьому випадку перехід стає зміщеним в область н/п з більш низькою концентрацією домішок (в область n). Це повязано з тим, що в такому переході буде спостерігатися, головним чином, дифузія дірок з p-області в n-область, а дифузія електронів з p-області в n-область буде слабкою. Внаслідок цього межа переходу, на якій n=p=ni, зміщується від контакту в область з низькою концентрацією: майже весь перехід зосереджується в цій області.

На енергетичній діаграмі енергетичні зони p- та n-областей зрушені одна відносно одної (рис. 3.4).

Рис. 3.4. Енергетичні діаграми:

 а – для окремих областей p та n; б – для p-n переходу

Із діаграми бачимо, що в p-n переході енергетичні рівні розміщені з нахилом, що відповідає появі градієнту потенціалу, а значить, і електричного поля, яке виштовхує рухомі носії заряду із переходу. Тому концентрація електронів і дірок в переході є малою.

Концентрація електронів у ЗП n-області вище, ніж в p-області. Оскільки мінімальна їх енергія тут нижче (на eк), ніж у ЗП  p-області. Аналогічно, концентрація дірок у ВЗ  p-області вища, ніж у ВЗ  n-області.

4


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

16306. Построить фрактал треугольник Серпинского 40.5 KB
  Построить фрактал треугольник Серпинского Самым знаменитым примером площадного геометрического фрактала является треугольник Серпинского строящийся путем разбиения треугольника необязательно равностороннего – средними линиями на четыре подобных треугольника и
16307. Снежинка Коха 51.5 KB
  Снежинка Коха Для построения снежинки Коха выполним следующие операции см. рис. 1. Рассмотрим в качестве нулевой итерации равносторонний треугольник. Рис. 1. Снежинка Коха. Затем каждую из сторон этого треугольника разделим на три равные части уберем среднюю ча...
16308. Фрактальный папоротник и аффинные преобразования 43.5 KB
  Фрактальный папоротник и аффинные преобразования Около четырехсот миллионов лет назад из теплого девонского моря населенного диковинными рыбами на еще безжизненную сушу начали наползать первые растения. Позднее на первобытной Земле многие миллионы лет шумели ка
16309. Последовательность выполнения нивелирования. Техническое нивелирование 199 KB
  Лабораторная работа № 6 Последовательность выполнения нивелирования Основные положения Способ геометрического нивелирования из середины При определении разности высот h рис. 1 нивелированием из середины устанавливают нивелир на одинаковых расстояниях между т
16310. АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСОЛЬНОЙ БАЛКИ 2.26 MB
  Лабораторная работа АНАЛИЗ НАПРЯЖЕННОДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНСОЛЬНОЙ БАЛКИ Цель работы: Приобретение практических навыков по измерению прогибов и деформаций балок. Содержание работы: Балкой называют стержень нагруженный силами действующими в напра...
16311. Исследование устойчивости сжатого стержня большой гибкости 202 KB
  ИССЛЕДОВАНИЕ УСТОЙЧИВОСТИ СЖАТОГО СТЕРЖНЯ БОЛЬШОЙ ГИБКОСТИ Цель работы: Изучение процесса потери устойчивости при осевом сжатии стержней и опытное определение критической силы. Поскольку величина критической силы зависит не только от размеров стержня но и от у
16312. Определение деформации при косом изгибе 5.06 MB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ ПРИ КОСОМ ИЗГИБЕ Цель работы Ознакомление с косым изгибом консольного бруса и сравнение опытных значений прогиба с теоретическим. Содержание работы Если плоскость действия изгибающего момента возникающего в поперечном сечении бруса не сов...
16313. Определение модуля сдвига при кручении 97 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ МОДУЛЯ СДВИГА ПРИ КРУЧЕНИИ Цель работы Экспериментальная проверка закона Гука при сдвиге и определение модуля сдвига материала вала.
16314. Определение прогибов балки на двух опрах 95 KB
  ОПРЕДЕЛЕНИЕ ПРОГИБОВ БАЛКИ НА ДВУХ ОПОРАХ Цель работы Приобретение практических навыков по измерению прогибов балки. Содержание работы. Балка – это стержень нагруженный силами действующими в направлении перпендикулярном его оси. В инженерной практике часто воз