Пусть слева находится Ge n -типа с концентрацией доноров NД (основные носители – электроны), а справа Ge р -типа с концентрацией доноров NА (основные носители – дырки). Обе области разделены перегородкой (рис.5.8).
Рисунок 5.8
При не слишком низких температурах концентрации электронов в n -области nn0 и дырок в р -области рр0 практически равны:
Имеются также неосновные носители: в n -области дырки рn0; в
р -области электроны nр0. Их концентрацию можно определить из закона действующих масс (5.5):
(5.8)
где ni – концентрация носителей в собственном п/п.
При NД= NА = 1022 м-3, ni = 1019 м-3 получаем рn0=nр0 = 1016 м-3.
Концентрация дырок в р -области на 6 порядков выше их концентрации в n -области. Концентрация электронов в n -области на 6 порядков выше их концентрации в р -области.
Уберем перегородку (рис.5.9). Из-за разности концентраций возникают диффузионные потоки: электронов из
n -области в
р -область (
nn→p); дырок из
р -области в
n -область (
рp→n).
Рисунок 5.9
Части полупроводника, из которых диффундировали заряды, заряжаются:
n – область - положительно; р -область – отрицательно.
Диффузия продолжается, пока поднимающийся μр не уровняется с опускающимся μn. При этом устанавливается равновесие потоков:
Уход электронов из приконтактной (граничной) n -области формирует неподвижный положительный объемный заряд ионизированных атомов донорной примеси толщиной dn. Аналогично в р - области - dр. Между ними образуется контактная разность потенциалов ϕ, создающая в р-n переходе потенциальный барьер (рис. 5.10):
(5.9)
| Потенциал относительно φ=0
|
Рисунок 5.10
Этот барьер препятствует переходу электронов из n в р -области и дырок из р в n -область. При nn0= 1022 м-3, nр0 = 1016 м-3 и Т=300 К φ≈ 0,45 эВ.
Если преобразовать рис. 5.9, изобразив энергетическую диаграмму относительно выпрямленного уровня Ферми μ, то получится энергетическая диаграмма, обычно применяемая при рассмотрении p-n перехода и работы приборов на его основе (рис.5.11).
Рисунок 5.11
Контрольные вопросы
1. Привести структурные и энергетические диаграммы для донорных и акцепторных полупроводников на примере германия.
2. Как и почему изменяется местоположение уровня Ферми в собственных и примесных проводниках при увеличении температуры? Показать на энергетических диаграммах.
3. Получить выражения для вычисления собственной концентрации носителей заряда (ni) в полупроводнике и определения его уровня Ферми EF.
4. В чём различие между равновесными и неравновесными носителями заряда в полупроводнике?
5. Привести формулы для определения концентрации носителей заряда в полупроводниках, когда известно положение уровня Ферми. Объяснить физический смысл входящих в них величин.
6. Привести формулы для вычисления концентрации носителей n и р в примесных полупроводниках. Объяснить физический смысл входящих в них величин.
7. Пояснить энергетическую диаграмму p-n –перехода.
2015-02-18
770
