Главная Движение носителей электрических зарядов



проводнике уменьшается во столько раз, во сколько увеличивается концентрация основных носителей, поэтому для полупроводников и-типа справедливо соотношение п„р„ = tiip, = и? = pf, а для полупроводников р-типа - соотношение РрПр = = pf, где п„ и р„ - концентрация основных, а Рр и Ир - концентрация неосновных носителей заряда соответственно в полупроводнике и и р-типа.

Удельная электрическая проводимость примесного полупроводника определяется концентрацией основных носителей и тем выше, чем больше их концентрация. На практике часто встречается случай, когда полупроводник содержит и донорные, и акцепторные примеси. Тогда тип электропроводности будет определяться примесью, концентрация которой вьппе. Полупроводник, у которого концентрации доноров Ng и акцепторов равны (JV = JV„), называют скомпенсированным.

Закон распределеши носителей заряда в зонах полупроводшжа. Уровень Ферми. В собственном полупроводнике при температуре О К все электроны находятся в валентной зоне. При повьпиении температуры часть электронов из валентной зоны переходит в зону проводимости. Определить вероятность нахождения электрона (или дьфки) на том или ином энергетическом уровне при заданной температуре можно с помощью распределения Ферми - Дирака:

F„m= --, (16.1)

-(w-Wp)№T)

где W- энергия данного уровня, (Дж); к - постоянная Больцмана; Т - абсолютная температура; Wp - энергия, соответствующая энергетическому уровню, вероятность заполнения которого при Т # О К равна 1/2, и назьшаемая уровнем Ферми. При температуре О К (рис. 16.9) F„{W) изменяется скачкообразно. Для всех энергетических уровней, лежащих ниже уровня Ферми {W < Wp), функция f„(W) = 1, т. е. вероятность заполнения электронами валентной зоны ( ), равна 1 (или 100%); для всех уровней, лежащих выше уровня Ферми (W>Wp), функция F„{W)=0, т.е. вероятность заполнения электронами зоны проводимости (/) равна нулю (электроны в зоне проводимости отсутствуют). Так как на энергетических уровнях в запрещенной зоне электроны располагаться не могут, распределение Ферми - Дирака там несправедливо. При Т О К кривая вероятности имеет плавный вид (рис. 16.9), она симметрична относительно уровня Ферми. Уровень Ферми в собствен- ном полупроводнике при Т = О К проходит почти посередине запрещенной зоны.

Распределение Ферми - Дирака справедливо и для примесных полу-проводников. Уровень Ферми в полу-проводниках и-типа от середины смещается в сторону дна зоны проводимости и находится тем ближе к дну ----

зоны проводимости, чем выше "

концентрация донорной примеси Рис. 16.9

т*ок

>-,Т=0/(




о 1/2 1 f„

Рис. 16.10

(рис. 16.10, fl). В полупроводнике р-типа уровень Ферми смещается от середины запрещенной зоны в сторону валентной зоны и находится тем ближе к валентной зоне, чем вьппе концентрация акцепторной примеси (рис. 16.10,6). На положение уровня Ферми влияет также темпфатура полупроводника: в полупроводнике и-типа чем ниже температура, тем вьппе лежит уровень Ферми. В полупроводнике р-типа чем ниже температура, тем ниже лежит уровень Ферми (ближе к потолку валентной зоны).

§ 16-2. Электронно-дырочный переход

Область внутри монокристалла полупроводника на границе раздела его двух сред с разным типом примесной электропроводности (р-и и-типа) называют электронно-дырочным переходом или р-и-переходом. Такие переходы изготовляют сложными технологическими приемами путем внесения примеси определенного типа (например, и-типа) в полупроводник с незначительным количеством примеси противоположного типа (р-типа). Свойства р-и-перехода положены в основу принципа действия подавляющего числа полупроводниковых приборов и интегральных микросхем (ИМС).

Рассмотрим картину образования р-и-перехода. При этом для простоты будем считать, что р-и-переход образован в результате соприкосновения двух полупроводников р- и п-типов и концентрации электронов в области и-типа и дырок в области р-типа равны. При комнатной температуре практически все атомы примесей полупроводника ионизированы: в полупроводнике р-типа концентрация отрицательных ионов акцепторов N„ равна концентрации свободных дырок Рр, а в области и-типа концентрация положительных ионов доноров равна концентрации свободных электронов и„. Кроме того, в каждой области имеется небольшое количество неосновных носителей. При создании р-и-перехода (упрощенно - при соприкосновении областей р- и и-типов) равенство между количеством ионов и свободньж носителей заряда нарушается. Так как между областями р- и и-типов существует значительная разница в концентрации дьфок и электронов, происходит диффузия дьфок в область и-типа и электронов - в область р-типа.

Как только дьфка покинет область р-типа, в этой области вблизи границы раздела образуется нескомпенсированный отрицательный заряд



иона акцепторной примеси, а с уходом электрона из области и-типа в ней образуется нескомпенсированный положительный заряд иона донорной примеси (рис. 16.11, одинарный кружок - свободные заряды; двойной - ионы). Нескомпенсированные заряды образуются также и вследствие того, что часть электронов и дырок, попавших в смежную область, рекомбинирует, нарушая тем самым равновесие концентрации между свободными носителями заряда и неподвижными ионами примеси. В результате вблизи границы раздела областей создается двойной объемный слой пространственных зарядов, который называют р-и-переходом. Этот слой обеднен основными (подвижными) носителями заряда в обеих частях, поэтому его удельное сопротивление велико по сравнению с областями р- и «-типов. Часто этот слой называют запирающим. Однако надо отметить, чго концентрация подвижных носителей в р-и-переходе изменяется плавно и существенно обеднен подвижными носителями заряда только средний слой перехода, где их концентрация примерно на несколько порядков меньше. Поэтому обедненный, или запирающий, слой несколько уже р-и-перехода.

Мы исходили из того, что области р- и и-типов имеют одинаковую концентрацию примесей. В этом случае размеры 1р и 1„ переходов равны. Объемные заряды по обе стороны границы раздела полупроводников имеют разные знаки и создают электрическое поле р-и-перехода. Это поле напряженностью Е направлено в сторону от положительно заряженного слоя к отрицательно заряженному, т. е. от области и-типа к области р-типа. Оно является тормозящим для основных носителей и препятствует дальнейшему диффузионному перемещению основных носителей через р-и-переход, стремясь возвратить дырки в область р, а электроны - в область и. На рис. 16:12 показано изменение напряженности поля Е и его потенциала вдоль оси х, перпендикулярной плоскости перехода, причем за нулевой потенциал принят потенциал на границе раздела областей. Из рисунка видно.


£

0 © ©

@ @ © © ©

®@®®0 ее

i i

/\ 1



0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 [99] 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131 132 133 134 135 136 137 138 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148


0.0181