Свойства плоскостного ступенчатого несимметричного p-n-перехода

На практике наибольшее распространение получили p-n-структуры с неодинаковой концентрацией внесенных акцепторной Nа и донорной Nд примесей, т.е. с неодинаковой концентрацией основных носителей заряда в слоях р_р » Nа и n_n» Nд. Типичными являются структуры с Na >>Nд (р_р >> n_n ). Рассмотрим свойства плоскостного ступенчатого несимметричного p-n-перехода на примере германия (рис.2.1(А)). Распределение концентраций носителей заряда для такой структуры показано на рис.2.1(B), где принято p_p = Nа = 10¹⁸см ^-3, n_n= Nд = 10¹⁵см ^–3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при комнатной температуре n_i = 10¹³см ^–3. В соответствии с (1.10.) концентрации неосновных носителей заряда составят для рассматриваемой структуры n_р = n_i²/р_р= 10⁸см ^–3, р_n = n_i²/n_n= 10¹¹см ^–3, т.е. концентрации неосновных носителей заряда существенно меньше концентраций основных носителей заряда.

В p-n-полупроводнике на границе раздела слоев возникает разность концентраций одноименных носителей заряда, что вызовет диффузионное перемещение дырок из слоя р в слой n и встречное диффузионное перемещение электронов из слоя nв слой р в приграничной области. Вследствие ухода основных носителей из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака, концентрации основных носителей заряда в обеих приграничных областях снижаются. Это приводит к увеличению концентрации неосновных носителей заряда и появлению нескомпенсированных объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей (положительный объемный заряд в слое n и отрицательный объемный заряд в слое р). Кривая распределения объемного заряда в p-n-переходе представлена на рис.2.1(C). Отсутствие основных носителей заряда справа и слева от границы двух разнотипных полупроводников вызывает резкое увеличение сопротивления этой приконтактной области. Можно ввести эквивалентное определение p-n-перехода: p-n-переход ¾ это область, обладающая повышенным сопротивлением.

Наличие разнотипных зарядов приводит к появлению в приконтактной области потенциального барьера и электрического поля. Саму приконтактную область принято называть запирающим, или обедненным, слоем. Кривые распределения Е(х) и Dj(х) представлены на рис.2.1(D,E).

Диаграммы на рис.2.1. справедливы для ступенчатого несимметричного p-n-перехода, в котором отсутствуют проходящие электрические заряды. Отрицательный заряд в левой части p-n-перехода равен положительному заряду в его правой части:

q×Na×S×d₁ = q×Nд×S×d₂. (2.1)

Здесь S - площадь p-n-перехода, d₁ и d₂ - толщины соответствующих слоев, q - заряд электрона. Тогда справедливо выражение:

. (2.2)

Поскольку в рассматриваемом несимметричном p-n-переходе Na>>Nд, то d₁<<d₂, т.е. переход практически весь располагается в области с меньшей концентрацией (в области n), и ширина p-n-перехода d = d₁ + d₂ »d₂.

Т.о. p-n-переход практически смещается в область, обедненную носителями зарядов, т.е. в слаболегированную область. Ширина p-n-перехода определяется по формуле

, (2.3)

где e = e₀×e_r - диэлектрическая проницаемость, e₀ - диэлектрическая постоянная воздуха (e₀ = 8,86×10 ^–14Ф/см), e_r - относительная диэлектрическая проницаемость полупроводника (для Gee_r = 16,7; для Sie_r = 11,3), Dj₀ - высота потенциального барьера:

. (2.4)

Внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером j₀ будет оказывать ускоряющее действие для неосновных и тормозящее - для основных носителей заряда. Т.о. внутреннее электрическое поле приводит к уменьшению диффузионных токов и способствует протеканию через переход тока неосновных носителей заряда (дрейфового тока).

Плотность диффузионного тока J_диф, обусловленного движением основных носителей заряда, состоит из потока дырок, перемещающихся под действием диффузии из области р в область n, и потока электронов, диффундирующих из области nв область р:

J_диф = J_{диф p} + J_{диф n} , (2.5)

Плотность дрейфового тока J_др обусловленна движением неосновных носителей заряда прилегающих к p-n-переходу слоев. Неосновные носители области р (электроны) и области n (дырки) за счет хаотичного теплового движения могут случайно попасть в область p-n-перехода, электрическое поле которого будет для них ускоряющим, и переброситься этим полем через p-n-переход. Т.о. плотность дрейфового тока состоит из потока неосновных носителей заряда прилегающих к p-n-переходу слоев и зависит от концентрации неосновных носителей заряда и диффузионной длины.

J_др = J_{др p} + J_{др n} , (2.6)

Суммарный ток через переход в установившемся состоянии в отсутствие внешнего напряжения равен нулю. Равенство диффузионной и дрейфовой составляющих тока создается установлением соответствующей величины потенциального барьера в p-n-переходе. Высота потенциального барьера зависит от концентрации примесей и температуры. С ростом температуры при постоянной концентрации примесей высота потенциального барьера уменьшается; с ростом концентрации примесей при неизменной температуре высота потенциального барьера увеличивается.

В результате диффузионного и дрейфового переходов зарядов через р-n-переход выравниваются вероятности заполнения энергетических уровней справа и слева от перехода, поэтому уровень Ферми становится общим для р и nслоев, что приводит к искривлению энергетической диаграммы (рис.2.2). При постоянной концентрации примесей с ростом температуры высота потенциального барьера уменьшается, т.к. уровень Ферми стремится к середине запрещенной зоны.

На процессы, происходящие в p-n-переходе, существенное влияние оказывает величина и полярность внешнего источника напряжения, подключенного к p-n-переходу.