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

19300. Защита информации в сетях Windows 20000 2.2 MB
  Лекция 15 Защита информации в сетях Windows 20000 Защита информации в сетях Windows 2003 предполагает использование локальной политики безопасности на рабочих станциях и системы безопасности обеспечиваемой Active Directory по доступу к ресурсам домена или доменов. В Windows 2003 опреде
19301. Интернет-приложения. Средства телекоммуникаций. Поисковые машины. Новостные ленты. Интернет-магазины. Электронная коммерция 607 KB
  Лекция 16 Интернетприложения. Средства телекоммуникаций. Поисковые машины. Новостные ленты. Интернетмагазины. Электронная коммерция Интернетприложения. Средства телекоммуникаций Наиболее распространенные современные средства общения для своей работы использ
19302. Конденсаторы. Система условных обозначений и маркировки конденсаторов 163 KB
  Лекция № 5 Конденсаторы 1. Классификация основные электрические характеристики и параметры 2. Система условных обозначений и маркировки конденсаторов 1. Классификация и основные характеристики Основные понятия Конденсаторы лат Condenso сгущать уплотнят...
19303. Резисторы. Устройство, характеристики и параметры нелинейных резисторов 88.5 KB
  Лекция 4 2.1 Резисторы 1. Классификация и параметры резисторов 2. Устройство и применение линейных резисторов 3. Устройство характеристики и параметры нелинейных резисторов 1. Классификация и параметры резисторов Основные понятия Термин резистор про
19304. Основы техники измерений параметров технических систем 455.75 KB
  Модели измерения и основные постулаты метрологии. Виды и методы измерений. Погрешности измерений. Нормирование погрешностей и формы представления результатов измерений. Внесение поправок в результаты измерений. Оценка не исключенной составляющей систематической погрешности измерений. Выявление и исключение грубых погрешностей (промахов). Качество измерений.
19305. Полупроводниковый диод. Выпрямительные и импульсные диоды 248.5 KB
  Содержание лекции Общее устройство классификация и системы обозначений диодов. Полупроводниковыми диодами называют электро-преобразовательные полупроводниковые приборы с одним электрическим переходом имеющие два вывода. Основу полупроводникового...
19306. Полупроводниковые светодиоды и лазеры 156.5 KB
  Содержание лекции. Полупроводниковые лазеры. По своей сущности полупроводниковые лазеры подразделяются на два основных типа: инжекционные; неинжекционные. Инжекционные лазеры. Инжекционный лазер представляет собой полупроводниковый двухэле...
19307. Магнитомягкие материалы 363.5 KB
  Магнитомягкие материалы Магнитомягкие материалы это такие материалы которые обладают малой корцетивной силой Нс и высокой магнитной проницаемостью μ. Они характеризуется узкой петлей гистерезиса и малыми потерями на пёремагничивание и но используются в основном в...
19308. КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ 52 KB
  КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА ПРОВОДНИКОВЫХ МАТЕРИАЛОВ Общие сведения Важнейшими применяемыми в электротехнике твердыми проводниковыми материалами являются металлы и их сплавы. Из металлических проводниковых материалов могут быть выделены металлы высокой про...