Электрические переходы

Электрическим переходом называют переходный слой между областями твердого тела с различными типами электропроводности (n-полупроводник, р-полупроводник, металл, диэлектрик) или областей с одинаковым типом электропроводности, но с различными значениями удельной проводимости.

Электрические переходы могут создаваться как на основе полупроводников с одинаковой шириной запрещенной зоны, т.е. одинаковых материалов (гомопереходы), так и с различными значениями ширины (гетеропереходы).

Электронно-дырочный переход в равновесном состоянии

3.2.1. Структура p-n-перехода

Структурой любого полупроводникового прибора принято называть последовательность расположения областей с различными электрофизическими свойствами. Структура р-n-перехода показана на рис. 3.1,а.

Плоскость с координатой , где , называется металлургической границей, на ней эффективная концентрация примеси (рис. 3.1,в). При преобладает влияние акцепторов, при – влияние доноров. Полупроводники с двумя типами примеси называют компенсированными.

Из-за скачкообразного перехода от к в сечении такой переход считается резким. Если >>
(или >> ), то переход считается резким и несимметричным. При = переход считается симметричным.

3.2.2. Образование p-n-перехода

Рассмотрим процесс образования p-n-перехода при контакте p- и n-полупроводников.

1. В исходном состоянии (до контакта) p- и n-полупроводники были электрически нейтральными

2. Градиент концентрации вызовет диффузионное движение дырок из приконтактного слоя р-полупроводника в n-полупроводник, а градиент концентрации электронов – диффузионное движение электронов из приконтактной области n-полупроводника в р-полупроводник (рис. 3.3,а).

3. Уход основных носителей приводит к нарушению электрической нейтральности в приконтактных областях вблизи плоскости : в р-полупроводнике окажется нескомпенсированный отрицательный заряд неподвижных акцепторных ионов, а в n-полупроводнике – нескомпенсированный положительный заряд неподвижных донорных ионов

Вблизи плоскости контакта образуется двойной электрический слой, а следовательно, появляется напряженность электрического поля Е.

4. Однако появившееся электрическое поле Е является ускоряющим для неосновных носителей каждого полупроводника (отсутствие барьера). Под действием ускоряющего поля должны появиться дрейфовые потоки неосновных носителей: электронов из р-области в n-область и дырок из n-области в р-область

5. Начавшийся рост эл. поля в переходе, а следовательно, уменьшение диффузионных потоков и рост дрейфовых потоков будут происходить до тех пор, пока при некотором значении напряженности поля не наступит равновесие: диффузионный поток дырок из р-области сравняется со встречным дрейфовым потоком дырок из n-области, а диффузионный поток электронов из n-области уравновесится встречным дрейфовым потоком электронов из р-области. Это равновесное значение напряженности электрического поля Ек соответствует разности потенциалов которую называют контактной разностью потенциалов или диффузионным потен­циалом (рис. 3.3.г).

Образовавшаяся переходная область вблизи плоскости контакта, в которой нескомпенсированные заряды ионов создают поле и которая из-за ухода и рекомбинации бедна подвижными носителями заряда, называется р-п-переходом или обедненным слоем.

На рис. 3.4 показано распределение концентраций подвижных основных и неосновных носителей в р-n-структуре.

(3.1)

(3.2)

При этом считаем, что все атомы примесей ионизированы. Из (3.1) и (3.2) следует

(3.3)

Если переход рез­кий и несимметричный ( >> ), то из (3.3) : обедненный слой располагается в основном в полупроводнике с меньшей концентрацией примеси, обычно называемой базовой областью (на рис. 3.4 базовой является n-область).