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!




Шрифт зодчего Шрифт зодчего состоит из прописных (заглавных), строчных букв и цифр...


Картограммы и картодиаграммы Картограммы и картодиаграммы применяются для изображения географической характеристики изучаемых явлений...


Практические расчеты на срез и смятие При изучении темы обратите внимание на основные расчетные предпосылки и условности расчета...


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

Гносеологический оптимизм, скептицизм, агностицизм.разновидности агностицизма Позицию Агностицизм защищает и критический реализм. Один из главных представителей этого направления...

Функциональные обязанности медсестры отделения реанимации · Медсестра отделения реанимации обязана осуществлять лечебно-профилактический и гигиенический уход за пациентами...

Определение трудоемкости работ и затрат машинного времени На основании ведомости объемов работ по объекту и норм времени ГЭСН составляется ведомость подсчёта трудоёмкости, затрат машинного времени, потребности в конструкциях, изделиях и материалах (табл...

Патристика и схоластика как этап в средневековой философии Основной задачей теологии является толкование Священного писания, доказательство существования Бога и формулировка догматов Церкви...

Основные симптомы при заболеваниях органов кровообращения При болезнях органов кровообращения больные могут предъявлять различные жалобы: боли в области сердца и за грудиной, одышка, сердцебиение, перебои в сердце, удушье, отеки, цианоз головная боль, увеличение печени, слабость...

Вопрос 1. Коллективные средства защиты: вентиляция, освещение, защита от шума и вибрации Коллективные средства защиты: вентиляция, освещение, защита от шума и вибрации К коллективным средствам защиты относятся: вентиляция, отопление, освещение, защита от шума и вибрации...

Studopedia.info - Студопедия - 2014-2025 год . (0.013 сек.) русская версия | украинская версия