Контакт двух полупроводников.

(p-n переход)

p-n переход - это граница контакта p и n полупроводников.

Рассмотрим физические процессы, происходящие в p - n -переходе (рис. а). Пусть донорный полупроводник (работа выхода — А_n, уровень Ферми — E_Fn) приводится в контакт (рис. б)с акцепторным полупроводником (работа выхода — А_р, уровень Ферми — Е_Fр). Электроны из n -полупроводника, где их концентрация выше, будут диффундировать в p -полупроводник, где их концентрация ниже. Диффузия же дырок происходит в обратном направлении — в направлении р ® п.

В n -полупроводнике из-за ухода электронов вблизи границы остается слой положительных зарядов.

В p -полупроводнике из-за ухода дырок вблизи границы образуется слой отрицательных зарядов в (рис. а).

Таким образом у границы возникает двойной электрический слой d = (d ₁ + d ₂), который препятствует дальнейшему переходу электронов в направлении п ® р и дырок в направлении р ® п.

Толщина d слоя (рис. в). составляет примерно 10^–6—10^–7 м, а контактная разность потенциалов — десятые доли вольт. Носители тока способны преодолеть такую разность потенциалов лишь при температуре в несколько тысяч градусов, т. е. при обычных температурах равновесный контактный слой является запирающим (характеризуется повышенным сопротивлением

При определенной толщине p-n -перехода наступает равновесное состояние, харак­теризуемое выравниванием уровней Ферми для обоих полупроводников (рис. в). В области p-n- перехода энергетические зоны искривляются, в результате чего возникают потенциальные барьеры как для электронов, так и для дырок.

С точки зрения зонной теории полупроводники с разным типом проводимости имеют на энергетических диаграммах разное положение уровня Ферми (рис., б). В полупроводнике п - типа уровень Ферми E_Fn смещен относительно середины запрещенной зоны вверх, ближе к зоне проводимости, а в полупроводнике р- типа уровень Ферме E_Fp смещен вниз, ближе к валентной зоне.

После создания р-п - перехода наступает равновесное состояние, при котором ток через р-п - переход равняется нулю. Это означает, что в условиях равновесия вероятность прохождения носителей заряда через р-п-переход в обоих направлениях становится одинаковой. А это в свою очередь означает, что уровни Ферми на энергетической диаграмме в обоих типах полупроводников должны быть одинаковыми в области р-п -перехода. Это приводит к тому, что все энергетические уровни р - полупроводника поднимаются относительно уровней полупроводника п - типа (рис., в). В области d энергетические зоны искривляются, вследствие чего возникает потенциальный барьер, высота которого (еj) определяется первичной разностью положений уровней Ферми в обоих полупроводниках.

Прямое и обратное включение р-п перехода

Если к образцу с р-п - переходом приложить внешнюю разность потенциалов в прямом направлении, так чтобы плюс был привлеченным к р-области, а минус к n-области (рис.), то приложенное электрическое поле будет оказывать содействие прохождению электронов в р - область и дырок в п- область. Величина барьера будет уменьшаться, а прямой ток, обусловленный основными носителями через р – п переход будет возрастать.

Если к р - п переходу приложена разность потенциалов в " обратном направлении ", так чтобы плюс был приложен к n -области, а минус к р - области (рис. ), обратный ток обусловлен только неосновными носителями, поскольку приложенное электрическое поле будет препятствовать прохождению основных носителей через р - п -переход, т.е. будет увеличивать величину потенциального барьера.