Реферат: Электронно-дырочный переход

--PAGE_BREAK--Электронно-дырочный переход
Рассмотрим неоднородный полупроводник, одна часть которого имеет электронную электропроводность, а другая – дырочную. При этом речь идет не о простом контакте двух различных полупроводников, а о едином монокристалле, у которого одна область легирована акцепторной примесью, а другая – донорной.

Между электронной и дырочной областями рассматриваемой полупроводниковой структуры всегда существует тонкий переходный слой, обладающий особыми свойствами. Этот слой называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электронно-дырочный переход является основным структурным элементом большинства полупроводниковых приборов, его свойствами определяется принцип действия и функциональные возможности этих приборов.
Динамическое равновесие процессов диффузии и дрейфа в электронно-дырочном переходе.
Примем, что в рассматриваемой p-n-структуре концентрация дырок в дырочной области выше, чем в электронной(pp>pn), а концентрация электронов в электронной области выше, чем в дырочной(nn>np), на границе электронной и дырочной областей существует градиент концентрации носителей заряда, вызывающий диффузионный ток: дырок из p-области в n-область и электронов из n-области в p-область. Диффузионный перенос заряженных частиц сопровождается нарушением электрической нейтральности полупроводника в непосредственной близости от границы областей: в p-области вследствие ухода дырок возникает не скомпенсированный отрицательный заряд, а в n-области вследствие ухода электронов – положительный заряд. В результате дырочная область приобретает отрицательный потенциал относительно электронной области и в переходном слое создается электрическое поле, вызывающее дрейфовый ток.

Но при отсутствии внешнего поля результирующий ток в полупроводнике должен быть равен нулю, это условие динамического равновесия процессов в переходе. Следовательно, диффузионный ток в переходе, вызываемый градиентом концентрации носителей заряда, должен уравновешиваться встречным дрейфующим током, обусловленным напряженностью собственного электрического поля Eв переходе:

<img width=«169» height=«43» src=«ref-1_562923084-365.coolpic» v:shapes="_x0000_i1025">

Таким образом, в электронно-дырочном переходе всегда существуют градиент концентрации заряда, вызывающий диффузию дырок и электронов, и обусловленный им градиент потенциала  собственного электрического поля du/dx=-E, вызывающий встречные дрейфующие токи, уравновешивающие диффузионные токи:

<img width=«155» height=«40» src=«ref-1_562923449-385.coolpic» v:shapes="_x0000_i1026">, <img width=«155» height=«39» src=«ref-1_562923834-332.coolpic» v:shapes="_x0000_i1027">

Наличие этих градиентов в p-n-переходе обуславливает существенное отличие его электрофизических свойств от свойств, прилегающих к нему p— и n-областей.
Энергетическая диаграмма электронно-дырочного перехода.
Энергетические диаграммы уединенных p— и n-областей полупроводника показаны на рисунке. В p-области уровень Ферми WFpсмещен в сторону валентной зоны, а в n-области уровень Ферми WFn– в сторону зоны проводимости.

В p-n-структуре энергия уровня Ферми WFдолжна быть всюду одинакова:

WF= WFp= WFn,

так как в любой точке тела он имеет одну и ту же вероятность заполнения его электроном, равную, по определению, ½, а одной и той же вероятности заполнения уровней должна соответствовать одна и та же их энергия.

Поскольку расположение энергетических зон относительно уровня Ферми в каждой из областей (дырочной и электронной) фиксировано, из постоянства энергии уровня Ферми по всей p-n-структуре вытекает, что валентные зоны, а также зоны проводимости p— и n-областей должны быть смещены относительно друг друга на величину WFn— WFp. 

Из условий динамического равновесия процессов диффузии и дрейфа носителей заряда в p-n-переходе следует, что разность минимальных энергий электронов проводимости в p— и n-областях p-n-структуры Wcn– Wcpдолжна быть равна <img width=«34» height=«28» src=«ref-1_562924166-234.coolpic» v:shapes="_x0000_i1028">, так же как и разность энергий дырок, поэтому можно записать:

<img width=«297» height=«41» src=«ref-1_562924400-600.coolpic» v:shapes="_x0000_i1029">

Концентрация электронов в зоне проводимости n-области выше, чем в p-области, так как минимальная их энергия здесь ниже (на величину <img width=«34» height=«28» src=«ref-1_562924166-234.coolpic» v:shapes="_x0000_i1030">), чем в зоне проводимости p-области. Аналогично, концентрация дырок в валентной зоне p-области выше, чем в валентной зоне n-области.

Непосредственно  в области перехода энергетические уровни, как в зоне проводимости, так и в валентной зоне расположены наклонно, что свидетельствует о наличии градиента потенциала, а, следовательно, и электрического поля, которое выталкивает подвижные носители заряда из перехода. По этой причине концентрация электронов и дырок в переходе очень низка.

    продолжение
--PAGE_BREAK--