5. Электронно-дырочный переход

5.1.Образование электронно-дырочного перехода

5.1.1. Электронно-дырочный переход в условиях равновесия (при отсутствии внешнего напряжения)

Основным элементом многих полупроводниковых приборов, таких как диоды, транзисторы, микросхемы, является контакт двух полупроводников с разным типом электропроводности - электронно-дырочный переход, или p-n- переход. Рассмотрим так называемый гомопереход,в которомn- иp- области сформированы в монокристалле одного и того же полупроводника (например кремния). При создании такого контакта в одну часть полупроводникового кристалла вводят доноры, а в другую – акцепторы. Заметим, что используются полупроводники, для котоpых комнатная температура – это область истощения примеси. Тогда в первой части содержится большое количество электронов, а во второй – большое количество дырок.

Наличие градиентов концентрации носителей заряда приводит к их диффузии в области с противоположным типом электропроводности через плоскость металлургического контакта (плоскость, где изменяется тип примесей, преобладающих в полупроводнике). В результате диффузии носителей заряда нарушается электрическая нейтральность примыкающих к металлургическому контакту частей монокристалла полупроводника: в p-области после диффузии из нее дырок остаются нескомпенсированные ионизированные акцепторы (отрицательные неподвижные заряды), а в n-области - нескомпенсированные ионизированные доноры (положительные неподвижные заряды). Образуется область пространственного заряда, состоящая из двух разноименно заряженных слоев. Между нескомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от n-области к p-области и называемоедиффузионным электрическим полем(рис. 5.1а). Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей - устанавливается равновесное состояние. Между n- и p-областями при этом появляется разность потенциалов_кон,называемаяконтактной разностью потенциалов. Потенциал n-области положителен по отношению к потенциалу p-области.

Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода (зависимость энергии электрона Eот координатыx) при термодинамическом равновесии изображена на рис. 5.2а. Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует (если соответствующие области легированы равномерно) или относительно мало по сравнению с полем в p-n-переходе. Поэтому края энергетических зон вдали от контакта расположены горизонтально. Наличие диффузионного поляприводит к изгибу энергетических зон полупроводника (рис.5.2а). Уровень Ферми устанавливается (при отсутствии внешнего поля) на одинаковой высоте в p- и n-областях.

а) в отсутствие внешнего поля
б) прямое включение
в) обратное включение
Рис. 5.1. Распределение электрических зарядов в p-n-переходе	Рис. 5.2. Энергетические диаграммы p-n-перехода
Ионы примесей:  - доноры,  - акцепторы. Подвижные носители заряда:  - электроны,  - дырки, неосновные носители заряда не показаны. - напряженность диффузионного поля,U –внешнее напряжение, приложенное к переходу.

Для носителей возникает потенциальный барьер, высота которого равна (- заряд электрона,- контактная разность потенциалов). Величина контактной разности потенциалов зависит от концентрации собственных носителей зарядаn_i(а значит, и от ширины запрещенной зоны), концентрации примесей, введенных в полупроводник, и температуры

, (5.1.1)

где N_dn – концентрация доноров вn- области,N_ap –концентрация акцепторов вp– области.

По характеру распределения примеси различают резкие и плавные p-n-переходы. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p-n-перехода (толщины области объемного заряда), называют резким p-n-переходом. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси сравнима или больше толщины p-n-перехода, называютплавным p-n-переходом.Вид p-n-перехода зависит от технологии его изготовления. Резкие переходы получают методами вплавления, эпитаксиального наращивания и ионной имплантации, а плавные – методом диффузии примеси.