Фотоэлектрические явления в полупроводниках

Таким образом, в результате диффузии подвижных  носителей тока образуется область  пространственного заряда толщиной d, состоящая из двух разноименно заряженных слоев (рис. 2.4 в), Между некомпенсированными разноименными зарядами ионизированных примесей возникает электрическое поле, направленное от   п - области p - области и называемое диффузионным электрическим полем. На рис.2.4 в напряженность диффузионного поля обозначена Е_диф.

Возникшее диффузионное электрическое поле препятствует дальнейшей диффузии основных носителей через металлургический контакт - устанавливается равновесное состояние. Между п – и р – областями при этом существует разность потенциалов, называемая контактной, разностью потенциалов. На рис.2.4 она обозначена φк. Потенциал п – области положителен по отношению к потенциалу р - области. В состоянии равновесия уровень Ферми (или химический потенциал) всей системы (рис. 2.4 в) должен быть расположен на одной высоте в энергетической диаграмме (аналогия: при контакте двух заряженных проводников заряд всегда перераспределяется так, чтобы потенциалы проводников были одинаковыми). Так как уровень Ферми р – и п – областей одинаков, то на диаграмме соответствующие энергетические зоны для п – области находятся ниже, чем для р – области. Между областями возникает потенциальный барьер еφ_к, происхождение которого объясняется наличием диффузионного поля Е_диф

φ_л = E_диф.d;   eφ_k= A_p-A_n                                                     (1.2.1)

На диаграмме (рис. 2.4в) видно, что потенциальный барьер в состоянии равновесия препятствует односторонней диффузии электронов из n– области в  р – область.

Высота потенциального барьера е(φ_к–важная характеристика р-п перехода, от нее зависят электрические параметры диодов и транзисторов. Теоретический анализ и практика позволяют сделать следующие выводы:

1.) при одних  и тех же концентрациях примесей (донорных и акцепторных) высота потенциального барьера больше в р — п переходах, созданных в полупроводниках с большей шириной запрещенной зоны;

2.)высота потенциального  барьера возрастает при увеличении  концентрации примесей в соответствующих  областях;

3.) с увеличением  температуры высота потенциального барьера уменьшается.

Итак, первое свойство р – п перехода: в области р – п . перехода возникает пространственный заряд в виде двойного электрического слоя, внутреннее диффузионное поле и соответствующая контактная разность потенциалов.

Второе  свойство р – п перехода: вследствие диффузии и рекомбинации р – п переход обеднен основными носителями тока и обладает повышенным сопротивлением,

Третье  свойство: - толщина d р – п перехода, т.е. области пространственного заряда, определяется концентрацией донорных и акцепторных примесей. Глубина проникновения области пространственного заряда по разные стороны р - п перехода обратно пропорциональна концентрации примесей. Сильнолегированные полупроводники с большой концентрацией свободных носителей заряда образует тонкие и резкие р – п переходы. Толщина р –п переходов в диодах и транзисторах колеблется от долей мкм до нескольких мкм.

Вблизи металлургической границы р – п перехода происходит изменение состава и концентрации примесей. Действительно, в р – области примесь акцепторная, в п – области – донорная; вблизи металлургической границы донорная примесь переходит в акцепторную примесь. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси значительно меньше толщины p–n перехода, называют резким р– п переходом. Резкий р – п переход получается обычно при методе вплавления примеси. Переход, в котором толщина области изменения концентрации примеси сравнима или больше толщины р –п перехода, называют плавным р – п переходом. Плавный переход получают обычно при изготовлении методом диффузии примеси. По соотношению концентрации основных носителей заряда или соответствующих примесей в р – и п – областях различают симметричные и несимметричные p – п переходы. У симметричных p– п переходов концентрации основных носителей заряда в прилегающих к переходу р – и п– областях приблизительно равны (р_po≈  п_пo) Следовательно, приблизительно равны и толщины областей положительного и отрицательного зарядов (рис. 2.5а)

Рисунок 2.5

 

Для несимметричных переходов справедливо неравенство р_ро» п_по ( или p_po« n_no) (рис. 2.5 б). В полупроводниковых приборах обычно существуют несимметричные переходы. Для обозначения несимметричных р - п переходов пользуются следующими символами:p⁺. -n (или п+ , -р)

Четвертое свойство р - п перехода: р - п переход обладает емкостью. В отличие от обычного конденсатора, заряд р- п перехода распределен по объему, это так называемая зарядим емкость р-п   перехода.

Пятое, самое важное, свойство р - п   перехода, обусловливающее его применение: р - п  переход обладает односторонней проводимостью.

Для объяснения этого свойства рассмотрим вольт-амперную характеристику (ВАХ) р - п   перехода.

 

 

Рисунок 2.6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 2.7

 

На рис. 2.6(а) показано прямое включение р-п перехода. При прямом включении к р- области подсоединяют плюс источника тока, к п- области - минус. При этом силы внешнего электрического поля Евн заставляют двигаться электроны в п- области и дырки в р - области навстречу друг другу через р - п переход. Так как напряженность внешнего электрического поля Е_вя противоположна по направлению напряженности диффузионного поля Е_диф, то высота потенциального барьера еφ_k уменьшается и становится равней е(φ_k- U), где U - внешнее приложенное к переходу напряжение. Как видно на рис. 8(а), электроны и дырки свободно преодолевает уменьшенный потенциальный барьер, т.е. проходят через р~п переход. Кроме того, под влиянием внешнего электрического поля уменьшается ширина области пространственного заряда р-п перехода о!, а это означает, что уменьшается его сопротивление. Это приводит к появлению сравнительно большого тока через p - п переход (см. рис. 2.7). Напряжение рассмотренной полярности называют прямым и считают положительным.

Преодолевшие  потенциальный барьер носители заряда оказываются в соседней области неосновными. Таким образом, через р-п переход происходит инжекция неосновных носителей заряда в область, примыкающую к р-п переходу. Ту область, в которую происходит инжекция неосновных носителей, называют базой полупроводникового прибора. В диодах инжектированные в базу неосновные носители рекомбинируют с основными на расстоянии, примерно равном диффузионной длине пробега неосновных носителей заряда.

Обычно полупроводниковые  диоды имеют несимметричные р-п переходы. Поэтому при полярности внешнего напряжения, при которой происходит понижение потенциального барьера в р - п переходе, т.е. при прямом направлении для р - п перехода, количество носителей заряда, инжектированных из сильнолегированной в слаболегированную область, значительно больше, чем количество носителей, проходящих в противоположном направлении. В соответствии с общим определением область полупроводникового диода, в которую происходит инжекция неосновных для этой области носителей заряда, называют базой диода. Итак, в диоде базовой областью является слаболегированная область.

Если созданное  внешним источником электрическое  поле в р - п переходе совпадает по направлению с диффузионным (рис. 2.6 б), то высота потенциального барьера е(φ_k - U) для основных носителей увеличивается. Однако для неосновных носителей, т.е. для дырок в n-области и для электронов в p-области, потенциально барьер в р-п переходе вообще отсутствует. Неосновные носители заряда втягиваются электрическим полем в р-п переход через него в соседнюю область - происходит так называемая экстракция носителей заряда. При этом через р - п переход будет идти обратный ток, который относительно мал (см. рис. 2.7) из-за малой концентрации неосновных носителей заряда в прилегающих к р - п переходу областях. Напряжение, имеющее рассмотренную полярность, называют обратным и считают отрицательным. Толщина р - п перехода с увеличением обратного напряжения по абсолютному значению увеличивается, так как при этом увеличивается суммарная напряженность электрического поля в р-п  переходе            

Е=Еg+Евн                                                             (1.2.2)

и увеличивается  глубина проникновения этого  поля в прилегающие к переходу области. Следовательно, при обратном включении увеличивается сопротивление p -п перехода.

Таким образом, р - п переход обладает важным свойством, обусловливающим его применение,- односторонней проводимости.

 

 

Список использованной литературы:

[1] Шалимова, К.В. Физика полупроводников [Текст] /К.В.Шалимова. – М.: Энергия, 1976.

[2] Барышников, В.Г., Поляков, Н.Н., Солодкова, О.Н. Лабораторный практикум по квантовой физике