Лекция 4. Электрические процессы в p-n-переходе в отсутствие внешнего напряжения
В германиевых и кремниевых диодах двухслойная p-n-структура (рис. 2.1., а) создается введением в один из слоев монокристалла акцепторной примеси, а в другой — донорной примеси. При комнатной температуре атомы акцепторов и доноров можно считать полностью ионизированными, т.е.
практически все акцепторные атомы присоединяют к себе электроны, создавая при этом дырки, а донорные атомы отдают свои электроны, которые становятся свободными. Кроме основных носителей заряда в каждом из слоев имеются неосновные носители заряда, создаваемые путем перехода электронов основного материала из валентной зоны в зону свободных уровней.
Рис. 2.1. Образование p-n-перехода в p-n-структуре полупроводника
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 рр ≈ Nа и пп ≈ Nд. Типичными являются структуры с Na >> Nд (pp >> пп). Распределение концентраций носителей заряда для таких структур показано на рис. 2.1, б на примере германия, где приняты рр = 1018 см–3, nп = 1015 см–3. Концентрация собственных носителей заряда в германии при комнатной температуре ni = 2,5·1013 см–3. Концентрации неосновных носителей заряда, существенно меньшие концентраций основных носителей заряда, составят для рассматриваемой структуры в соответствии с (1.2) np = 1012 см–3.
В p-n-структуре на границе раздела слоев АВ возникает разность концентраций одноименных носителей заряда: в одном слое они являются основными, в другом — неосновными. В приграничной области под действием разности концентраций возникает диффузионное движение основных носителей заряда во встречном направлении через границу раздела. Дырки из р-области диффундируют в n-область, электроны из n-области—в р-область.
Дырки, вошедшие в n-область, рекомбинируют с электронами этой области, а электроны, вошедшие в р-область, — с дырками р-области. Вследствие двух факторов (ухода основных носителей заряда из приграничных областей и их рекомбинации с носителями заряда противоположного знака) концентрации основных носителей заряда (рр и пп) в обеих приграничных областях, суммарная ширина которых l0, снижаются (рис. 2.1, б). Кроме того, в соответствии с выражением (1.2) снижение концентрации носителей заряда одного знака сопровождается повышением концентрации носителей заряда другого знака. Вследствие этого в приграничной р-области повышается концентрация электронов, а в приграничной n-области — концентрация дырок. Таким образом, становится понятным характер распределения концентрации носителей заряда в p-n-переходе, показанной на рис. 2.1, б сплошными линиями.Важнейшим следствием диффузионного движения носителей заряда через границу раздела слоев является появление в приграничных областях объемных зарядов, создаваемых ионами атомов примесей. Так, при уходе дырок из р-слоя в нем создается некомпенсированный отрицательный объемный заряд за счет оставшихся отрицательных ионов акцепторных атомов примеси. Электроны же, ушедшие из n-слоя, оставляют здесь нескомпенсированный положительный объемный заряд, создаваемый положительными ионами донорных атомов примеси. Наличие объемного заряда является главной особенностью p-n-перехода. Кривая распределения объемного заряда в p-n-переходе показана на рис. 2.1, г. Ввиду наличия объемного заряда в p-n-переходе создаются электрическое поле и разность потенциалов. Кривые Е(х) и φ(х) показаны на рис. 2.1, д, е (за нулевой принят потенциал n-слоя). Отметим, что рассмотренный процесс формирования р-п-перехода происходит уже на этапе введения в монокристалл акцепторной и донорной примесей.
Толщина слоя объемного заряда l0 составляет доли микрометров и зависит от концентрации примеси (основных носителей заряда) в р- и n-областях (от удельного сопротивления слоев).
Объемные заряды по обе стороны границы раздела равны и создаются, как известно, неподвижными ионами примеси. Если бы концентрации акцепторной Nа и донорной Nд примесей были равны (симметричный p-n-переход), то концентрации отрицательных ионов слева от границы раздела и положительных ионов справа были бы также равны и p-n-переход имел бы одинаковые толщины слоев l0 p и l0 n. В рассматриваемом случае несимметричного p-n-перехода (Nа > Nд) концентрация неподвижных отрицательных ионов слева от границы раздела АВ будет выше концентрации неподвижных положительных ионов справа (рис. 2.1, а), в связи с чем равенству объемных зарядов обоих знаков (рис. 2.1, г) здесь будет отвечать условие l0 n >> l0 p. Иными словами, p-n-переход толщиной l0 будет преимущественно сосредоточен в n-области, как в более высокоомной.Внутреннее электрическое поле, созданное объемными зарядами, является фактором, под действием которого обеспечивается равенство потоков носителей заряда через переход в обоих направлениях, т.е. равенство нулю суммарного тока в отсутствие внешнего электрического поля. Это обусловливается тем, что внутреннее электрическое поле с потенциальным барьером φ0 (рис. 2.1, е) создает тормозящее действие для основных и ускоряющее — для неосновных носителей заряда. Таким образом, внутреннее электрическое поле приводит к уменьшению плотности диффузионного тока Jдиф через переход и появлению встречного ему дрейфового тока плотностью Jдр.
Плотность диффузионного тока Jдиф, обусловленного основными носителями заряда (рис. 2.1, в), направлена вдоль оси х и состоит из потока дырок, перемещающихся под действием диффузии из р-области в n-область, и потока электронов, диффундирующих из n-области в р-область.
Плотность дрейфового тока Jдр (рис. 2.1, в) создается неосновными носителями заряда прилегающих к p-n-переходу слоев с толщиной, равной диффузионной длине: Ln — для электронов р-слоя и Lp — для дырок n-слоя (рис. 2.1, а). Неосновные носители заряда, совершая тепловое движение в этих слоях, успевают за время своей жизни попасть в область действия электрического поля, увлекаются этим полем и перебрасываются через переход.
Таким образом, плотность дрейфового тока определяется потоками подходящих неосновных носителей заряда из прилегающих к p-n-переходу слоев. Она зависит от концентрации неосновных носителей заряда в слоях и диффузионной длины. Дрейфовый ток имеет направление, противоположное направлению диффузионного тока.Равенству нулю тока через переход в отсутствие внешнего напряжения соответствует уменьшение диффузионной составляющей тока до величины его дрейфовой составляющей. Равенство составляющих тока Jдиф = Jдр создается установлением соответствующей величины потенциального барьера φ0 в p-n-переходе. Величина потенциального барьера φ0 (называемого также контактной разностью потенциалов) зависит от соотношения концентраций носителей заряда одного знака по обе стороны перехода и определяется соотношением
. (2.1)
Высота потенциального барьера зависит от температуры ввиду зависимости от нее теплового потенциала и концентрации неосновных носителей заряда в слоях полупроводниковой структуры. Более сильное влияние температуры на концентрацию неосновных носителей заряда, чем влияние на величину φ Т, приводит к тому, что с ростом температуры высота потенциального барьера уменьшается. При комнатной температуре для германия φ0 = 0,3÷0,5 В, а для кремния φ0 = 0,6÷0,8 В. Различие в значениях φ0 объясняется большей величиной ΔWз в кремнии и, следовательно, меньшей концентрацией неосновных носителей заряда (при одинаковой температуре и одинаковых концентрациях внесенных примесей).
Уход неосновных носителей заряда через p-n-переход из прилегающих к нему слоев, казалось бы, должен привести к уменьшению их концентрации с приближением к границе p-n-перехода. Вместе с тем концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к p-n-переходу слоях сохраняются на уровнях рn и пр (рис. 2.1,б), так как в условиях динамического равновесия уменьшение концентрации неосновных носителей заряда за счет их ухода через p-n-переход будет постоянно восполняться носителями того же знака за счет их диффузии из противоположных слоев.