Глава 1

Контактные явления

1.1 P-n-переход при нулевом внешнем напряжении

В полупроводниках наблюдаются два основных вида движения носителей заряда: дрейфовое и диффузионное.

Дрейфовое движение – направленное перемещение свободных носителей заряда в полупроводнике, обусловленное электрическим полем.

Различают дрейфовую плотность тока электронов и дырок.

= , (1.1)

где n– концентрация электронов;

− подвижность электронов;

E – напряжённость электрического поля.

=, (1.2)

где p– концентрация дырок;

− подвижность дырок;

E – напряжённость электрического поля.

Диффузионное движение– направленное движение свободных носителей, вызванное их неравномерным распределением в объёме полупроводника.

=, (1.3)

= , (1.4)

где и- коэффициенты диффузии для электронов и дырок соответственно.

Коэффициент диффузии равен величине тока при единичной концентрации.

В однородном полупроводнике концентрация основных и неосновных носителей заряда, а также положение уровня Ферми зависят от концентрации примесей.

Получить собственный полупроводник практически невозможно.

Если соединить два полупроводника p- иn-типов, то в районе металлургического контакта возникнетp-n-переход.

>> ;

>>.

В районе p-n-перехода концентрация основных носителей становится во много раз меньше, чем в остальном полупроводнике.

В районе металлургического контакта оголяются неосновные носители заряда. Эти ионы неподвижны и находятся в кристаллической решётке.

За счёт действия нескомпенсированных ионов возникает контактная разность потенциалов.

Это поле препятствует диффузионному движению основных носителей заряда. В то же время оно является ускоряющим для неосновных носителей. В результате диффузионный ток уменьшается и начинает протекать дрейфовая составляющая тока неосновных носителей заряда.

=;

Общий ток через p-n-переход продолжает оставаться равным нулю.

Уровень Ферми одинаковый в обоих полупроводниках.

− концентрация электронов вn-зоне;

− контактная разность потенциалов;

− середина запрещённой зоны.

=; (1.5)

= ;

= ;

= ,

где - концентрация в собственном полупроводнике.

=. (1.6)

1.2 P-n-переход под воздействием внешнего электрического поля

Включим наш p-n-переход во внешнюю цепь таким образом:

Ширина p-n-перехода будет уменьшаться. За счёт этого баланс между диффузионной и дрейфовой составляющими тока существенно изменится в сторону диффузионной:

>> ;

Т. к. величина диффузионной составляющей определяется концентрацией основных носителей заряда, а их много больше, чем неосновных, то через переход будет течь ток. Такое включение называется прямым включением p-n-перехода.

Между уровнями Ферми создаётся разность потенциалов, равная величине прикладываемого внешнего поля.

Если к p-n-переходу приложить напряжение таким образом:

То внешнее поле qU будет суммироваться с контактной разностью потенциалов. В результате потенциальный барьер в p-n-переходе увеличится.

И >> .

Ток через p-n-переход будет полностью определяться током неосновных носителей. Концентрация последних очень мала, поэтому ток маленький. Такое включение называется обратным включением p-n-перехода.

P-n-переход можно использовать для преобразования сигналов.

В одном случае будем получать большой ток (прямое включение), а в другом – маленький (обратное включение) – режим закрытого диода.