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

83749. Военная реформа Петра I 73.5 KB
  Цели урока: Дать характеристику военной реформы Петра I; Выяснить результаты петровской реформа; Значение петровской реформы для российской армии и России. Тема урока: объяснение нового материала. Методы и приёмы: Эвристическая беседа.
83750. Сравнение The Present Simple и The Present Continuous 204.68 KB
  Цель: более глубокое усвоение знаний, высокий уровень обобщения, систематизации. Задачи: Образовательные: обобщить материал как систему знаний, наглядно показать и закрепить разницу двух настоящих времен. Развивающие: развивать пространственное мышление, выявлять связи, формулировать выводы...
83751. Правовое регулирование единого сельскохозяйственного налога: общие положения, налогоплательщики, основные элементы налога, налоговая декларация 40.66 KB
  ЗАМЕНЯЕТ НАЛОГИ Освобождает от налогов: ОРГАНИЗАЦИИ: налога на прибыль организаций за исключением налога уплачиваемого с доходов по дивидендам и отдельным видам долговых обязательств налога на имущество организаций налога на добавленную стоимость за исключением НДС уплачиваемого при ввозе товаров на таможне а также при выполнении договора простого товарищества или договора доверительного управления имуществом ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ПРЕДПРИНИМАТЕЛИ: налога на доходы физических лиц в отношении доходов от предпринимательской деятельности...
83752. Правовое регулирование упрощенной системы налогообложения: общие положения, налогоплательщики, основные элементы налога, особенности уплаты 42.57 KB
  В связи с применением УСН налогоплательщики освобождаются от уплаты налогов применяемых общей системой налогообложения налога на имущество организаций налога на добавленную стоимость и др.13 НК РФ Переход на УСН с ЕНВД с начала того месяца в котором была прекращена их обязанность по уплате единого налога на вмененный доход п. СТАВКИ И ПОРЯДОК РАСЧЕТА Расчет налога производится по следующей формуле статья 346.
83753. Правовое регулирование системы налогообложения в виде единого налога на вмененный доход для отдельных видов деятельности: общие положения, налогоплательщики, основные элементы налога 40.79 KB
  ЕНВД применяется в отношении отдельных видов предпринимательской деятельности п. Налог на прибыль организаций В отношении прибыли полученной от предпринимательской деятельности облагаемой единым налогом 2. Налог на имущество организаций В отношении имущества используемого для ведения предпринимательской деятельности облагаемой единым налогом 3.
83754. Правовое регулирование системы налогообложения при выполнении соглашений о разделе продукции: общие положения, налогоплательщики, особенности уплаты 41.83 KB
  Система налогообложения при выполнении соглашений о разделе продукции особая система налогообложения специальный налоговый режим применяемый при выполнении соглашений которые заключены в соответствии с Федеральным законом от 30. № 225ФЗ О соглашениях о разделе продукции. Режим применяется в течение всего срока действия соглашения о разделе продукции.
83755. Правовое регулирование транспортного налога: общие положения, налогоплательщики, основные элементы налога, особенности регионального законодательства 42.78 KB
  Налогоплательщиками транспортного налога признаются лица на которых в соответствии с законодательством Российской Федерации зарегистрированы транспортные средства ст. Плательщиками налога также признаются физические лица получившие транспортные средства по доверенности выданной до 29 июля 2002 года. Следовательно по истечении трех лет с момента выдачи доверенности на право владения и распоряжения транспортным средством выданной до 29 июля 2002 года плательщиком транспортного налога признается физическое лицо на которое зарегистрировано...
83756. Правовое регулирование налога на игорный бизнес: налогоплательщики, основные элементы налога, особенности регионального законодательства 41.92 KB
  365 НК РФ Объект налогообложения налогом на игорный бизнес являются ст. Каждый объект налогообложения должен быть зарегистрирован в налоговой инспекции по месту установки не позднее чем за 2 рабочих дня до даты его установки. Регистрация игрового оборудования или пункта приема ставок проводится налоговым органом на основании заявления налогоплательщика с обязательным ой получением выдачей свидетельства о регистрации объекта объектов налогообложения. Любое изменение количества объектов необходимо также зарегистрировать в налоговых органах...
83757. Правовое регулирование налога на имущество организаций: общие положения, налогоплательщик, основные элементы налога, особенности исполнения и уплаты налога 46.96 KB
  1 указанного Федерального закона в отношении имущества используемого ими исключительно в связи с организацией и или проведением XXII Олимпийских зимних игр и XI Паралимпийских зимних игр 2014 года в городе Сочи и развитием города Сочи как горноклиматического курорта. 375 НК РФ определяется как среднегодовая стоимость имущества признаваемого объектом налогообложения. В случае если для отдельных объектов основных средств начисление амортизации не предусмотрено стоимость указанных объектов для целей налогообложения определяется как разница...