10.6: напівпровідникові p-n переходи

Last updated
Save as PDF

Page ID: 19783

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)

Напівпровідникові p-n переходи важливі у багатьох видах електронних пристроїв, включаючи діоди, транзистори, світлодіоди та фотоелектричні елементи. Щоб зрозуміти роботу цих пристроїв, спочатку потрібно подивитися, що відбувається з електронами і дірками, коли ми зводимо напівпровідники p-типу і n-типу разом. На стику між двома матеріалами рухливі електрони і дірки анігілюють один одного, залишаючи після себе нерухомі + і - заряди донорського електронів і електрон-акцепторних лепантів відповідно. Наприклад, на n-стороні кремнієвого p-n переходу позитивно заряджені легуючі речовини складають ^P+ іони, а на p-стороні негативно заряджені легуючі речовини B ^-. Наявність цих некомпенсованих електричних зарядів створює електричне поле, вбудоване поле p-n переходу. Область, яка містить ці заряди (і дуже низьку щільність рухомих електронів або дірок), називається областю виснаження.

Електричне поле, яке створюється в області виснаження електронно-дірковою рекомбінацією, відштовхує від переходу як електрони (на n-стороні), так і дірки (на p-стороні). Градієнт концентрації електронів і дірок, однак, має тенденцію переміщати їх у зворотному напрямку шляхом дифузії. При рівновазі потік рухомих носіїв дорівнює нулю, оскільки польовий міграційний потік рівний і протилежний потоку дифузії, керованого концентрацією.

При з'єднанні напівпровідників p-типу і n-типу електрони і дірки на межі розділу анігілюються, залишаючи область виснаження, яка містить позитивно і негативно заряджені донорські і акцепторні атоми відповідно. При рівновазі рівень Фермі (E _F) рівномірний по всьому переходу. E _F лежить трохи вище валентної зони на стороні p-типу з'єднання і трохи нижче зони провідності на стороні n-типу.

Ширина виснажувального шару залежить від довжини скринінгу в напівпровіднику, яка в свою чергу залежить від щільності легуючої речовини. При високих рівнях легування шар виснаження вузький (десятки нанометрів в поперечнику), тоді як при низькій щільності легування він може бути товщиною 1 мкм. Область виснаження - єдине місце, де електричне поле ненульове, і єдине місце, де смуги згинаються. В іншому місці напівпровідника поле дорівнює нулю, а смуги плоскі.

В середині p-n переходу енергія рівня Фермі, E _F, знаходиться на півдорозі між валентною смугою, VB, і смугою провідності, CB, а напівпровідник є внутрішнім (n = p = n _i)