Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

Теория p-n-перехода в условиях равновесия





Если в полупроводнике имеются достаточно резко разграниченные области с различным типом электропроводности, то на границе раздела их возникает слой, обедненный носителями заряда и разделяющий электронную и дырочную области полупроводника, который называется p-n - переходом.

Пусть левая часть полупроводника (х<0) имеет электронный тип проводимости (n - область) и концентрация доноров в ней постоянна и равна ND, а правая часть — дырочный тип проводимости (р-область) и концентрация акцепторов в ней постоянна и равна NA (рис. 1.1), причем ND > NA. При всех практически встречающихся температурах атомы доноров и акцепторов можно считать полностью ионизованными, и концентрация электронов вn –области равна концентрации доноров nn = ND, а концентрация дырок в р-области равна концентрации акцепторов рр= NA.

Концентрацию носителей в полупроводнике можно определить, указывая положение уровня Ферми в запрещенной зоне. Для материалов n-типа уровень Ферми лежит в верхней половине запрещенной зоны, для материалов с проводимостью р-типа в нижней. Эта модель справедлива для невырожденных полупроводников, когда концентрация легирующей примеси не слишком высока.

 

 

Рис. 1.1. Распределение примесей (N) и свободных носителей (р, п) в полупроводнике с резким изменением типа электропроводности ND>NA.

 

Концентрации свободных электронов п в зоне проводимости и свободных дырок р в валентной зоне невырожденного полупроводника будут зависеть от эффективных плотностей состояний в зоне проводимости Nc и в валентной зоне Na а также от расстояния уровня Ферми F от краев соответствующих зон Еc и Еv.

N = Ncexp[-(Еc – F)/kT]

(1.1)

N = Nvexp[-(F - Еv)/kT],

где Nc = 2 , Nv = 2 , h - постоянная Планка, k — постоянная Больцмана, m*e и m*p эффективные массы носителей в зонах.

Произведение концентраций пр не зависит от положения F и определяется только температурой и шириной запрещенной зоны Eg.

np = NcNvexp[-Еg/kT]. (1.2)

Для полупроводникового материала, имеющего области с различными типами проводимости, выполняется следующее соотношение

nppp = nnpn = n2i, (1.3)

где np и pn концентрации неосновных носителей — дырок в n-области и электронов в р-области, которые обычно много меньше концентраций основных носителей в этих областях nn>>np и pp >> pn.

Вблизи p-n -перехода концентрации электронов и дырок плавно меняется от nn до np и от рр до рп, соответственно.

Неравенство концентраций основных носителей приводит к тому, что сечение, в котором концентрации электронов и дырок выравниваются (n = p = ni), расположено не в точке 1 (рис. 1.1), а в точке 2, смещенной в область с более низкой концентрацией носителей.

Рис. 1.2. Распределение плотности объемного заряда (а), потенциала (б), напряженности электрического поля (в) в р — n-переходе и зонная диаграмма р—n-перехода (г): Еc дно зоны проводимости; Еv потолок.валентной зоны; Еg ширина запрещенной зоны; F — уровень Ферми

 

Физическая картина возникновения р—n -перехода у границы раздела р- и n-областей заключается в следующем. Поскольку концентрации электронов и дырок по обе стороны перехода различны, часть дырок вследствие градиента концентрации диффундирует через р—n -переход в n-область, а часть электронов — в р-область, из-за чего электрическая нейтральность полупроводника нарушается; р-область заряжается отрицательно, а n-область — положительно. В результате вблизи границы раздела п - и р - областей возникают области положительного qND и отрицательного — qNA объемных зарядов (q – заряд электрона) внешние границы которых (- l n и lр) обычно принимают за границы р— n-перехода (рис. 1.2, а). За пределами области объемного заряда полупроводник остается электрически нейтральным. Чем меньше концентрация примесей, тем толще слой пространственного заряда. В случае несимметричного перехода, когда, ND>>NAи l n << lр и переход сосредоточен в высокоомном р-слое. В реальных полупроводниковых приборах толщина области р— n-перехода составляет 10-6 – 10-4 см.

Образование электрического двойного слоя приводит к появлению электрического поля и разности потенциалов в р— n-переходе (рис. 1.2, б, в). Электрическое поле в р—n-переходе направлено так, чтобы препятствовать диффузионному перемещению основных носителей через переход. Электроны и дырки с высокой энергией оказываются в состоянии преодолеть действие сил электрического поля и проникнуть соответственно в р- и n-области.

В условиях равновесия диффузионный ток через р—n-переход компенсируется тепловым током проводимости, который обусловлен потоком неосновных носителей, дрейфующих в электрическом поле перехода, и электрический ток через р—n-переход равен нулю.

Устанавливающаяся между п- и р-областями в результате обмена зарядами в условиях равновесия разность потенциалов является контактной разностью потенциалов Vк. В глубине р-n-областей потенциалы Vkр и Vkn постоянны в любом сечении. В области объемного заряда потенциал изменяется, причем напряженность электрического поля максимальна в плоскости х=0 (рис. 1.2, б, в).

В соответствии с изменением потенциала в области р—n-перехода изменяется и положение энергетических зон в полупроводнике (рис. 1.2, г). Высота потенциального барьера в р—n-переходе определяется разностью уровней Ферми в р- и n-областях, так как в условиях равновесия положение уровня Ферми одинаково для всей системы. При не слишком высоких концентрациях легирующей примеси (для невырожденных полупроводников) контактная разность потенциалов равна

Vk= = (1.4)

т. е. потенциальный барьер тем выше, чем выше концентрации носителей того или другого знака.

 







Дата добавления: 2015-10-12; просмотров: 1711. Нарушение авторских прав; Мы поможем в написании вашей работы!




Функция спроса населения на данный товар Функция спроса населения на данный товар: Qd=7-Р. Функция предложения: Qs= -5+2Р,где...


Аальтернативная стоимость. Кривая производственных возможностей В экономике Буридании есть 100 ед. труда с производительностью 4 м ткани или 2 кг мяса...


Вычисление основной дактилоскопической формулы Вычислением основной дактоформулы обычно занимается следователь. Для этого все десять пальцев разбиваются на пять пар...


Расчетные и графические задания Равновесный объем - это объем, определяемый равенством спроса и предложения...

Принципы и методы управления в таможенных органах Под принципами управления понимаются идеи, правила, основные положения и нормы поведения, которыми руководствуются общие, частные и организационно-технологические принципы...

ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ САМОВОСПИТАНИЕ И САМООБРАЗОВАНИЕ ПЕДАГОГА Воспитывать сегодня подрастающее поколение на со­временном уровне требований общества нельзя без по­стоянного обновления и обогащения своего профессио­нального педагогического потенциала...

Эффективность управления. Общие понятия о сущности и критериях эффективности. Эффективность управления – это экономическая категория, отражающая вклад управленческой деятельности в конечный результат работы организации...

Закон Гука при растяжении и сжатии   Напряжения и деформации при растяжении и сжатии связаны между собой зависимостью, которая называется законом Гука, по имени установившего этот закон английского физика Роберта Гука в 1678 году...

Характерные черты официально-делового стиля Наиболее характерными чертами официально-делового стиля являются: • лаконичность...

Этапы и алгоритм решения педагогической задачи Технология решения педагогической задачи, так же как и любая другая педагогическая технология должна соответствовать критериям концептуальности, системности, эффективности и воспроизводимости...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2025 год . (0.012 сек.) русская версия | украинская версия