Электронно-дырочный переход и его свойства

Электронно-дырочным переходом (p-n переходом) называется тонкий слой между двумя областями полупроводника с различным типом проводимости.

Рассмотрим процессы в электронно-дырочной структуре, предположив, что концентрация акцепторной примеси в р -области больше, чем концентрация донорной примеси в n -области. Такие p-n переходы называются несимметричными и распространены на практике гораздо шире. Ход протекания физических процессов в обособленной полупроводниковой структуре условно показан на рис. 4.9.

Рис. 4.9. Процессы, протекающие в р-n переходе и прилегающих областях

Так как концентрация дырок в р -области выше, чем в n -области, то часть дырок в результате диффузии перейдет в n -область, где вблизи границы окажутся избыточные дырки, которые будут рекомбинировать с электронами. Соответственно в этой части полупроводника уменьшится концентрация свободных электронов и образуется область нескомпенсированного положительного заряда ионов донорных примесей. В р-области уход дырок из граничного слоя способствует образованию области с нескомпенсированными отрицательными зарядами ионов акцепторных примесей.

Перемещение основных носителей заряда вследствие неравновесности их концентрации называют диффузионным током.

Подобным же образом происходит диффузионное перемещение электронов из n -области в р -слой. Перемещение происходит до тех пор, пока уровни Ферми обоих слоев не уравняются.

Область образовавшихся неподвижных пространственных (объемных) зарядов (ионов) и есть область p-n перехода. В ней имеет место пониженная концентрация основных носителей заряда и, следовательно, повышенное сопротивление, которое определяет сопротивление всей полупроводниковой структуры.

Между образовавшимися объемными зарядами возникает так называемая контактная разность потенциалов и следовательно внутреннее электрическое поле с напряженностью Это поле препятствует перемещению основных носителей заряда. Поэтому поток дырок из области р в область n и электронов из n в р область уменьшается с ростом напряженности электрического поля.

Однако это же поле не препятствует перемещению через переход неосновных носителей заряда, имеющихся в р и n областях. Эти носители заряда собственной электропроводности, имеющие энергию теплового происхождения, генерируются в объеме полупроводника, диффундируют к электрическому переходу, захватываются электрическим полем и перебрасываются в область с противоположной проводимостью. Перемещение неосновных носителей заряда под действием электрического поля называют дрейфовым током. Дрейфовый ток направлен навстречу диффузионному.

Переход (дрейф) неосновных носителей заряда приводит к уменьшению объемного заряда и электрического поля в переходе. Как следствие, имеет место дополнительный диффузионный переход основных носителей, в результате чего электрическое поле принимает исходное значение при равенстве потоков основных и неосновных носителей заряда и соответственно токов наступает динамическое равновесие.

Таким образом, через p-n переход в равновесном состоянии (без приложения внешнего напряжения) движутся два встречно направленных потока зарядов, находящихся в динамическом равновесии и взаимно компенсирующих друг друга.