1. Электронно-дырочный переход

Прогресс в развитии современной радиоэлектроники связан с использованием контакта двух примесных полупроводников с различным типом проводимости. Такой контакт получил название электронно-дырочного перехода или р-n-перехода.

Пусть внутренней границей раздела двух областей полупроводника с различным типом проводимости является плоскость Х = 0 (рис.3.1.а), слева от нее находится полупроводник р-типа с концентрацией акцепторов N_a, справа – полупроводник n-типа с концентрацией доноров N_d.

В n-области основные носители электроны, в р-области – дырки. При не слишком низких температурах эти примеси ионизированы практически полностью. Поэтому концентрация электронов в n-области n_nо= N_d, а концентрация дырок в р-области р_ро= N_a. Помимо основных носителей эти области содержат неос-новные носители заряда, которые возникают за счет перехода электронов из валентной зоны в зону проводимости: в n-области дырки с концентрацией р_no, в р-области электроны с n_po. Их концентрации можно определить, используя соотношение

n_nop_no=n_pop_po=n_i², (3.1)

где n_i– собственная концентрация носителей заряда. Если N_d, N_a>> n_i, то концентрация электронов n_noв n-области много больше концентрации электронов n_poв р-области, а концентрация дырок р_рoв р-области много больше концентрации дырок р_noв n-области. Такое различие в концентрации однотипных носителей в контактирующих областях приводит к возникновению диффузионных потоков основных носителей заряда: электронов из n-области в р-область (n_n→p) и дырок из р-области в n-область (p_p→n). При этом электроны, перешедшие в р-область, рекомбинируют вблизи границы раздела с дырками этой области, а дырки, перешедшие в n-область, рекомбинируют вблизи границы раздела с электронами этой области. В результате в приконтактном слое n-области практически не остается свободных электронов и в нем формируется неподвижный объемный положительный заряд ионизированных атомов донора. В приконтактном слое р-области практически не остается дырок и в нем формируется неподвижный объемный отрицательный заряд ионизированных атомов акцептора. Внешние границы областей пространственных зарядов можно считать границами р-n-перехода. На рис 3.1.б показано распределение свободных носителей заряда в области р-n-перехода, а на рис.3.1.в неподвижные объемные заряды, образовавшиеся в этом переходе.

2. Равновесное состояние р-n-перехода

Образование заряженных областей – двойного электрического слоя – приводит к возникновению электрического поля и разности потенциалов в р-n-переходе. Направление возникающего поля такового, что оно препятствует движению основных носителей заряда и приводит к снижению диффузионных потоков n_n→pиp_p→n. Но это же поле не препятствует движению неосновных носителей заряда: Электроны из р-области и дыр-ки из n-области в силу теплового движения, попадая в слой объемного заряда, подхватываются полем и переносятся через р-n-переход, создавая потоки неосновных носителей: электронов из р-области в n-областьn_p→nи дырок из n-области в р-областьp_n→p.

В первоначальный момент потоки основных носителей значительно превосходят потоки неосновных носителей: n_n→p>>n_p→n,p_p→n>>p_n→p. Но по мере роста объемного заряда увеличивается разность потенциалов, что уменьшает потоки основных носителей. В то же время потоки неосновных носителей не зависят от разности потенциалов и остаются неизменными. Поэтому разность потенциалов достаточно быстро достигает такой величины, при которой наступает равенство потоков основных и неосновных носителей заряда:n_n→p =n_p→n,p_p→n =p_n→p. Это соответствует установлению в р-n-переходе состояния динамического равновесия. Электрический ток через переход в равновесии равен нулю.

Разность потенциалов между двумя различными по свойствам областями полупроводника, устанавливающаяся в результате обмена носителями заряда в условиях равновесия, называется контактной разностью потенциалов и обозначается V_k.