Контактные явления
§ 2.1. Электронно-дырочный переход
Электронно-дырочный переход (р-п-переход) — это переходный слой между двумя областями полупроводника с разной электропроводностью, в котором существует диффузионное электрическое поле.
Образование электронно-дырочного перехода
При идеальном контакте двух полупроводников с различным типом электропроводности из-за градиента концентрации носителей заряда возникает их диффузия 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 вблизи металлургического контакта 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 миле, направленное от п-области к p-области и называемое диффузионным электрическим полем (рис. 2.1,а). Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через металлургический кон- | акт — устанавливается равновесное состояние. Между п- и p-областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной разностью потенциалов. Потенциал п-области положителен по отношению к потенциалу p-области.
Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода
Согласно сказанному в § 1.1, энергетическую диаграмму электронно-дырочного перехода при термодинамическом равновесии можно изобразить, как показано на рис. 2.1, г. Вдали от контакта двух областей электрическое поле отсутствует (если соответствующие области легированы равномерно) или относительно мало по сравнению с полем в р-n-переходе. Поэтому энерге-
тические зоны в этих областях изображены горизонтальными.
Взаимное расположение разрешенных зон и уровня Ферми за пределами р-n-перехода остается таким же, каким было в соответствующих полупроводниках.
Так как напряженность диффузионного электрического поля в р-n -переходе направлена от электронного полупроводника к дырочному, на диаграмме соответствующие энергетические зоны для n-области должны быть ниже, чем для р - области. Сдвиг зон определяется тем, что в равновесном состоянии уровень Ферми должен быть расположен на одной высоте энергетической диаграммы всей системы. Этот сдвиг зон соответствует также контактной разности потенциалов (φкон) или высоте потенциального барьера (qφ кон) электронно-дырочного перехода.
Высота потенциального барьера
и контактная разность потенциалов
Как видно из рис. 2.1, г, высота потенциального барьера р-п-перехода
Пользуясь
соотношениями (1.17) и (1.18), запишем
Следовательно, высота потенциального барьера
или при использовании соотношения (1.19)
Все приведенные выражения для высоты потенциального барьера равносильны, но удобнее пользоваться формулой (2.2), так как концентрация основных носителей заряда практически равна концентрации легирующей примеси либо легко может быть определена из удельной проводимости прилегающих к p-п-переходу областей. Значение собственной концентрации носителей пi для одной температуры дается в литературе, а температурная зависимость собственной концентрации определяется шириной запрещенной зоны полупроводника [см. (1.15)].
Из соотношения (2.4) можно сделать следующие выводы:
при одних и тех же концентрациях примесей высота потенциального барьера больше в р-n-переходах, созданных в полупроводниках с большей шириной запрещенной зоны;
высота потенциального барьера возрастает при увеличении концентрации примесей в соответствующих областях;
с увеличением температуры высота потенциального барьера уменьшается.