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

14754. УВЕЛИЧЕНИЕ И УМЕНЬШЕНИЕ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ 469.1 KB
  Лабораторная лабота №2 увеличение и уменьшение графических изображений Цель работы: Изучить методы увеличения и уменьшения цифровых изображений и применить полученные знания на практике. Задание: написать программу способную производить увеличение исходного и...
14755. ФИЛЬТРАЦИЯ ИЗОБРАЖЕНИЯ ОТ ИМПУЛЬСНЫХ ПОМЕХ 716.04 KB
  Лабораторная лабота №3 фильтрация изображения от импульсных помех Цель работы: фильтрация изображения от импульсных помех. Задание: Составить программу выполняющую фильтрацию изображения от импульсных помех методами функции рассеяния точки H1 – H4 Код про...
14756. Написать программу, реализующую просмотр графического файла (формат BMP) 255.5 KB
  Цель работы: Написать программу реализующую просмотр графического файла формат BMP. Программа должна: загружать и выводить на экран произвольный файл с использованием файловых функций; читать все файлы с цветовой палитрой до 256 цветов black/whitegrey16256; выводи
14757. МАСШТАБИРОВАНИЕ ИЗОБРАЖЕНИЙ 683.18 KB
  Лабораторная лабота №2 Масштабирование изображений Цель: произвести уменьшение и увеличение изображения методами ближайшего соседа и билинейной интерполяцией. Текст программы: using System; using System.Collections.Generic; using System.ComponentModel; using System.Data; using System.Drawing; using System.Linq; ...
14758. Мова, функції мови 3.37 MB
  Комунікативна функція. Цей найбільш універсальний засіб спілкування не здатні замінити всі інші — найсучасніші й найдосконаліші — навіть разом узяті. Мова, якою не спілкуються, стає мертвою і в історії людських мов дуже мало прикладів повернення мов до життя; народ, який втрачає свою мову, поступово зникає.
14759. Фильтрация изображений от импульсных помех 1.41 MB
  Цель работы: фильтрация изображения от импульсных помех. Задание: Составить программу выполняющую фильтрацию изображения от импульсных помех. Необходимые характеристики: изображение хранится во внешнем файле; программно в изображение вносятся помехи то...
14760. Определение ортогональной матрицы 137.5 KB
  Рабочая программа представляет оператору преобразование по методу Гаусса — Жордана заданной матрицы в обратную матрицу. Транспонирование расчетной матрицы. Умножение транспонированной матрицы на обратную матрицу и сравнивание результата с единичной матрицей с целью проверки верности нахождения обратной матрицы.
14761. Увеличение и уменьшение цифровых изображений 263.36 KB
  Цель работы: Изучить методы увеличения и уменьшения цифровых изображений и применить полученные знания на практике. Задание для второго варианта: написать программу способную производить увеличение/уменьшение исходного изображения в нецелое число раз методом билин...
14762. Ахмет Жұбанов 80.5 KB
  Ахмет Жұбанов Ахмет Қуанұлы Жұбанов 1906-1968 қазақ музыкасын зерттеуші көрнекті ғалым әйгілі композитор дирижер. Қазақстанның халық артисі 1944 өнертану ғылымының докторы 1943 профессор 1948 академик. Ол Ақтөбе облысы Темір ауданында 1906 жылы 29 сәуірде өмірге келген...