Контакт двух полупроводников

до контакта после контакта

При контакте полупроводников п и р типов уровни Ферми обоих полупроводников должны сравняться, что осуществляется за счёт перехода

21 -4

электронов из области 1 в область 2 и появляется контактная разность потенциалов .

За счёт малой концентрации электронов и дырок в области контакта полупроводников толщина переходного слоя будет равна примерно 10^{-6 м. Она значительно превышает межатомное расстояние и длину свободного пробега электронов и дырок. Поэтому обеднение переходного слоя носителями заряда не восполняется в полной мере их проникновением из областей 1 и 2.}

Наибольшее практическое значение имеет контакт двух идентичных полупроводников п- и р-типа, например, кремния, легированного донорными и акцепторными примесями.

Контактные явления в р-п-переходе нагляднее анализировать с помощью понятий «электроны – дырки», «основные – неосновные носители».

Левая часть кристалла (р-типа) содержит основные носители – дырки, примерно такое же количество отрицательных акцепторных ионов и незначительное количество электронов.

21 – 5

Правая часть (п-типа) содержит основные носители – электроны, положительные донорные ионы и небольшое количество дырок. Для примера положим, что основных носителей в 10⁶ раз больше, чем неосновных.

Вследствие хаотичного движения электроны устремляются из п-области в р-область, а дырки – в обратном направлении, где они рекомбинируют вблизи границы раздела. В результате этого вблизи контакта практически не остаётся свободных носителей, а имеются только неподвижные ионы, которые создают вблизи контактной плоскости двойной слой зарядов – слева отрицательных, справа – положительных.

Эти неподвижные заряды и создают в р-п-переходе контактное электрическое поле с разностью потенциалов порядка одного вольта.

Потенциальная энергия электрона, изображённая на рисунке сплошной линией, выше в р-области, а для дырок – в п-области.

Высота потенциального энергетического барьера – е^..∆φ.

Вне контактной области, где поля нет, свободные частицы движутся хаотично. Количество этих частиц, наталкивающихся на контакт за единицу времени, зависит от их концентрации и скорости и площади контакта.

Если в слой объёмных зарядов влетает неосновной носитель, то контактное поле «подхватывает» его и «перебрасывает» в другую область. Неосновные носители как бы «скатываются» вниз с потенциального барьера.

Основные носители, наоборот, должны «взобраться» на барьер, чтобы пройти через переход. Для этого они должны обладать кинетической энергией, превышающей высоту барьера. Доля таких частиц очень мала.

За положительное направление тока через р-п-переход принято направление движения положительного заряда из р-области в п-область. Это ток основных носителей. Ток неосновных носителей – отрицательный.

Высота потенциального барьера е^.∆φ в условии равновесия примерно равна запрещённой зоне полупроводника. Она устанавливается автоматически так, чтобы суммарный ток через переход основных и неосновных носителей был равен нулю:

I = I_осн – I_неосн = 0.

Тогда

, где

I₀ – слабозависящая от температуры постоянная величина.

Лекция 22