Основы физики твердого тела: Учебное пособие (содержит конспект лекций и практическую часть), страница 22

 E

                                        E_ф

                                                                            E_ф

                                          E_ф

                           ,,n”                               ,,p”                                    ,,p-n”

                                                а)                                                                

                                                                                  б)

Рис. 5.8

Когда между кристаллами нет контакта, электроны не могут переходить из одного кристалла в другой, уровни Ферми в них расположенны на разной высоте.  В кристалле n-типа основными носителями заряда являются электроны, в кристалле p-типа - дырки. Неосновные носители в полупроводнике n-типа - дырки - образуются за счёт собственных атомов кристалла; в полупроводнике p-типа - электроны - образуются, благодаря наличию донорной примеси (рис. 5.9).

Если теперь кристаллы соединить и создать между ними контакт, то они образуют единую систему и уровни Ферми в них должны установиться на одинаковой высоте (рис. 5.8 б). Это приводит к тому, что энергетические зоны в обоих кристаллах смещаются относительно друг друга и в области контакта образуется потенциальный барьер, высота которого равна   j = eU_k, где U_k – контактная разность потенциалов.

                              электрон                                  дырка

Рис. 5.9

Возникновение контактного поля и образование потенциального барьера происходит в результате двух конкурирующих процессов: за счёт теплового движения через пограничный слой электроны из полупроводника n-типа и дырки из полупроводника p-типа  диффундируют навстречу друг другу и при встрече будут рекомбинировать. Поэтому p-n-переход оказывается сильно обеднённым основными носителями тока и приобретает большое сопротивление. Одновременно на границе между областями возникает двойной электрический слой, образованный неосновными носителями тока: отрицательными ионами акцепторной примеси, заряд которых теперь не компенсируется электронами. Электрическое поле, возникающее в контакте, направлено так, что противодействует дальнейшему переходу через слой основных носителей. Равновесие достигается при такой высоте потенциального барьера, при которой уровни Ферми располагаются на одинаковой высоте.

обратное включение

Изгибание энергетических зон в области перехода вызвано тем, что потенциал p-области в состоянии равновесия ниже, чем потенциал n-области; соответственно потенциальная энергия электрона в p-области больше, чем в    n-области (рис. 5.10 а). Заряд дырок противоположен заряду электрона, поэтому их потенциальная энергия больше там, где меньше потенциальная энергия электрона и наоборот.

                                                                                                                                                             

,,n”

,,P”

U                                           j_отн

                                                     прямое включение

             p-n                                                                       p-n

                                                                   б)

            а)                                                                                                   в)

                                                             Рис. 5.10

В состоянии равновесия некоторому количеству основных носителей удаётся преодолеть потенциальный барьер, вследствии чего через переход потечёт небольшой ток I_осн. Этот ток компенсируется током, обусловленным движением через переход неосновных носителей заряда – I_неосн. Неосновных носителей очень мало, но они легко проникают через границу областей, “скатываясь” с потенциального барьера. Сила тока неосновных носителей (I_неосн ) не зависит от высоты потенциального барьера, а ток основных носителей I_осн , напротив, сильно зависитот нее. Равновесие устанавливается как раз при такой высоте потенциального барьера, при которой оба тока компенсируют друг друга (I_осн = I_неосн).