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

73167. Клиентское приложение Базы данных 20.5 KB
  Реализуйте клиентскую программу которая обладает следующими возможностями: Запуск клиента с заданными параметрами Обработка ошибок Запросы на чтение Запросы на добавление данных Запросы на модификацию данных Примечания: технологию создания клиентских приложения для mysql на C можно...
73169. ЛЕБІДКА 3.57 MB
  Навчальні завдання: вивчення конструкції лебідки; визначення основних робочих параметрів - канатоємності барабана, швидкості навивання каната на барабан, зусилля в канаті; вимірювання зусилля в канаті під час пуску двигуна (за допомогою тензоапаратури, аналого-цифрового перетворювача...
73170. ВИВЧЕННЯ ТАЛІВ 2.13 MB
  Визначення зусиль у тяговому ланцюгу ручного таля і ККД механізму під час підіймання вантажу; визначення коефіцієнта опору пересуванню електроталя; визначення сили зчеплення привідних коліс електроталя з монорейкою і розрахунок максимально припустимого прискорення під час розгону таля...
73171. СТІЙКІСТЬ СТРІЛОВОГО КРАНА 610 KB
  Самохідний стріловий кран на пневмоколісному ході (рис.7.1) із баштово-стріловим обладнанням. Ходова частина 1 містить чотири привідних колеса з індивідуальними механізмами пересування. У кутах неповоротної рами розташовані виносні опори 2, які збільшують опорну базу крана...
73172. СТРІЧКОВИЙ КОНВЕЄР 372 KB
  Модель містить жолобчасті трьохроликові роликоопори 1 завантаженої верхньої гілки та однороликові плоскі роликоопори 2 порожньої гілки, які служать для підтримування стрічки 3. Жолобчасті роликоопори порівняно з плоскими забезпечують подвоєння продуктивності з тими...
73173. Настройка параметров аутентификации Windows 8,1 902.04 KB
  Определяет число новых паролей которые должны быть сопоставлены учетной записи пользователя прежде чем можно будет снова использовать старый пароль. Определяет период времени в днях в течение которого можно использовать пароль прежде чем система потребует от пользователя заменить его.