Энергетические диаграммы полупроводников. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия. Типы полупроводниковых диодов

1. Энергетические диаграммы полупроводников.

Энергетические уровни отдельных атомов полупроводникового материала, объединенных в кристалл, расщепляются и образуют зоны разрешенных энергетических состояний, отделенных друг от друга энергетическими интервалами (запрещенной зоной). Этим интервалам соответствуют значения энергии, которыми не может обладать ни один электрон.

Пусть 2^ой атом свободный, т.к. он находится далеко от первого. Затем он начинает приближаться к первому атому. На определенном расстоянии возникает кристаллическая решетка, а- период кристаллической решетки. При сближении атомов и возникновении кристаллической решетки 1^ый уровень не претерпевает каких-либо изменений. n=1- соответствует не возбужденному состоянию. Все остальные расщепляются в зоны, в системы множ энергетических уровней (подуровни). Количество подуровней соответствует количеству атомов в объеме вещества. Зоны, которые представляют собой систему подуровней наз. разрешенными зонами значений энергий (электрон может иметь энергию). Разрешенные зоны разделены запарещенными. Количество подуровней =N, на каждо уровне может находиться 2е^- , следовательно в разрешенной зоне м.б. 2N электронов    

Энергетическая диаграмма собственного полупроводника показана на рисунке, где по оси ординат отложена полная энергия электрона ε, по оси абсцисс — координата электрона в твердом теле х; Δε_з— ширина запрещенной зоны. Каждой горизонтальной прямой на диаграмме соответствует энергия, которую может иметь электрон, находящийся в любой точке х кристалла. Валентная зона ВЗ образуется в результате расщепления энергетических уровней валентных электронов, зона проводимости ЗП— в результате расщепления уровней возбуждения и ионизации атомов. Эти две зоны разделены запрещенной зоной ЗЗ. Проводимость собственного полупроводника в равной степени определяется как электронами, так и дырками (концентрация е^- =концентрации дырок).

Однако для изготовления приборов собственные полупроводники используются редко. Обычно применяются легированные полупроводники, электропровод- ность которых обусловлена преимущественной концентрацией подвижных носителей, несущих либо положительный электрический заряд (дырка), либо отрицательный электрический заряд (электрон). В n-полупроводнике основной носитель заряда е^-; в р- полупроводнике основной носитель заряда дырки. В р- полупроводнике имеется акцепторный уровень, в n – донорный.

2.  Образование элекгронно-дыючного перехода. Электронно-дырочный переход в состоянии равновесия

Электронно-дырочным или n—р-переходом называется переходный слой между областями полупроводника с различными типами проводимости. Свойства n—р-перехода определяются соотношением концентраций доноров и акцепторов, их распределением по объему п- и р-областей и геометрией областей. При рассмотрении свойств n—р-перехода удобно поль-зоваться понятием металлургической границы, под которой понимается поверхность в полупроводнике, на которой Nа-Nд. В том случае, когда концентрации примесей различаются на порядок и более, переходы называют односторонними и обозначают n+—р или р⁺—n, присваивая индекс + области с большей концентрацией примеси. Если концентрации примесей на границе раздела областей с различной проводимостью изменяются в пределах расстояния, приблизительно равного диффузионной длине, то переход называется резким. Если это изменение происходит на расстоянии, существенно большем диффузионной длины, то переход называется плавным. Концентрации основных носителей в п- и р-областях: n_nо =Nд,  р_ро =N_aи n_nо>>р_ро. Кроме того, в обеих областях имеется некоторое количество неосновных носителей зарядов: дырок в n-области (р_nо) и электронов в р-области (п_ро). Равновесие соответствует внешнему напряжению на переходе, равному нулю. Прямую, перпендикулярную к металлургической границе, примем за ось х: с началом отсчета в точке пересечения прямой с металлургической границей. По обе стороны от металлургической границы градиенты концентрации электронов   и дырок  отличны от нуля. Их ожно вычислить по формулам: ,  где lо—ширина перехода.

Распределения концентраций дырок и электронов показаны на рисунке. В результате разности концентраций носителей возникает их диффузионное движение: дырки движутся из р-области в n-область, а электроны диффундируют из n- в р-область. Если бы электроны и дырки были электрически нейтральными частицами