Составляющие полного тока

Различают два вида тока в полупроводнике:

а) дрейфовый (j_n)_E, (j_p)_E – ток носителей заряда под действием внешнего электрического поля;

б) диффузионный (j_n)_D, (j_p)_D – ток за счёт градиента концентрации носителей тока.

Плотность полного тока равна сумме составляющих токов

j = (j_n)_E+(j_p)_D+(j_p)_E+(j_n)_D.

Этот ток зависит от концентрации носителей. Концентрация заряда в заданном объёме полупроводника изменяется с течением времени из–за:

а) рекомбинации зарядов;

б) генерации зарядов;

в) притока носителей заряда;

г) утечки носителей заряда.

Изменение концентрации носителей описывается уравнением непрерывности. Например, для дырок уравнение имеет вид

dp/dt = – (p-p₀) /t_p – (1/q) div ,

где p₀ – равновесная концентрация;

t_р – время жизни дырок, т.е. время, в течение которого концентрация их уменьшается в е раз;

div – дивергенция вектора плотности тока дырок, характеризует скорость накопления или рассасывания носителей, обусловленных неравенством втекающих и вытекающих токов.

2 Плоскостной электронно-дырочный p-n переход

Электронно-дырочным p-n -переходом называется граница между полупроводниками p - и n -типа. Если линейные размеры площади перехода намного больше толщины, переход называется плоскостным, если размеры соизмеримы – точечным. Рассмотрим два полупроводника, находящихся в контакте.

2.1 P-n переход в равновесном состоянии

Равновесное состояние перехода – это состояние, при котором отсутствует внешнее напряжение (U_внеш = 0).

Соединяем два полупроводника p - и n - типа (рисунок 2.1,а). Начальная концентрация примесей, следовательно, носителей неодинакова (рисунок 2.1,б): p_p0 >> p_n0 и n_n0 >> n_p0. Кроме этого, переход несимметричен (p_p0 > n_n0). На границе перехода имеется градиент концентрации носителей заряда, который вызывает диффузию дырок из p -области в n -область и, наоборот, диффузию электронов из n -области в p -область. Вблизи перехода дырки рекомбинируют с электронами и образуется в p -области отрицательный объемный заряд ионизированных акцепторов, а в n -области положительный объемный заряд ионизированных доноров (рисунок 2.1,в).

Таким образом, вблизи границы двух полупроводников образуется слой l₀, лишенный подвижных носителей заряда, и поэтому обладающих высоким электрическим сопротивлением, так называемый запирающий слой. Толщина запирающего слоя обычно не превышает нескольких микрометров.

Объемные плотности пространственного заряда доноров и акцепторов равны q×N_д = – q×N_а.

За счет объемного заряда на p-n переходе образуется поле Е (рисунок 2.1,г), напряжённость его максимальна на границе перехода. Это поле препятствует диффузии основных носителей (уменьшается диффузионный ток), но способствует перемещению неосновных носителей заряда. Под действием поля E возникает дрейфовый ток за счёт движения неосновных носителей заряда в противоположном направлении, т.е. дырок из n -области в p -область, а электронов из p-области в n -область. В изолированном полупроводнике сумма токов равна нулю. Устанавливается динамическое равновесие. В области перехода происходит искривление энергетических диаграмм и на границе слоёв возникает потенциальный барьер (рисунок 2.1,д), называемый контактной разностью потенциалов j_к = D Е / q.

Изменение напряженности электрического поля D Е можно определить, например, для электронов по смещению дна зоны проводимости на энергетической диаграмме, q – заряд электрона.

Потенциальный барьер

j_к = D Е / q = (Е _cp – E_cn)/q = (кТ / q) ln (p _p/ p _n) = (кТ / q) ln(n_n/n_p) =

= (кТ/q) ln[(N_aN_д)/n_i² ],

где кТ/q=j_T – температурный потенциал.

При Т =300 К j_T = 0,026 В.

Следует обратить внимание на то, что так как количество рекомбинирующих зарядов с обеих сторон одинаково, а концентрация неодинакова, то переход практически сосредоточивается в n области.

 

2.2 Прямое смещение p-n перехода

Подадим к p-n переходу прямое смещение U_пр (рисунок 2.2,а), т.е. к p -области плюс, а к n -области – минус. U_пр уменьшает потенциальный барьер j_к перехода

U_пер=j_к – U_пр.

Ширина перехода уменьшается, основные носители идут к переходу, увеличивается диффузионный ток за счёт инжекции. Инжекция – введение основных носителей заряда через переход в область, где они становятся неосновными, при прямом смещении.

Обычно U_пр – десятые доли вольт, I_пр – единицы и десятки миллиампер.

 

2.3 Обратное смещение p-n перехода

Подадим обратное смещение к переходу (рисунок 2.2,б). Подключим к p -области минус, а к n -области – плюс. Потенциальный барьер увеличивается. Запирающий слой расширяется, U_ПЕР = j_к+U_обр. Носители заряда идут от перехода, сопротивление перехода увеличивается. Диффузионный ток уменьшается. Увеличивается обратный ток. При обратном смещении имеет место экстракция – введение неосновных носителей в область, где они становятся основными, за счёт обратного смещения.

При |U_обр | > j_Т обратный ток I_обр стремится к дрейфовому I₀ – обратному току насыщения p-n перехода. I₀ обусловлен только неосновными носителями и поэтому почти не зависит от напряжения U_обр.

Величина U_обр может быть равна десяткам и сотням вольт (ограничена тепловым пробоем), обратный ток I_обр – единицы и сотни микроампер.

Из рассмотрения прямого и обратного смещения можно сделать существенный вывод: так как концентрация неосновных носителей намного меньше концентрации основных носителей, то обратный ток, обусловленный неосновными носителями, намного меньше прямого тока, обусловленного основными носителями (I_обр << I_пр), т.е. переход обладает односторонней проводимостью или выпрямительным свойством.