Лабораторная работа № 2-8

Полупроводниковый диод.

Рассмотрим контакт, состоящий из двух полупроводников: p-типа (слева) и n-типа (справа) – р-п переход. В простейшем случае, р-п переход можно рассматривать как полупроводниковый кристалл, в котором концентрация примесей изменяется только вдоль данного направления (примем его за x) в узкой области d (вблизи x = 0 - границе раздела). При отрицательных x в кристалле преобладают акцепторные примеси (он относится к p-типу), а при положительных – донорные примеси (т.е. он относится к n-типу). Распределение концентраций доноров N_d(x) и акцепторов N_x(x) называется “профилем легирования”. Термин “переход” используется как для обозначения устройства в целом, так и для обозначения переходной области вблизи x = 0, где профиль легирования неоднороден. Неоднородное распределение примесей вызывает неоднородное распределение концентрации n_c(x) электронов в зоне проводимости и концентрации p_v(x) дырок в валентной зоне, что в свою очередь приводит к появлению неоднородного потенциала φ(x). Область, где указанные концентрации носителей неоднородны, называется “обедненным слоем” (или областью пространственного заряда). Обедненный слой занимает область шириной примерно от 10² до 10⁴ (0,000001 – 0,0001 см) вокруг узкой переходной области, где меняется профиль легирования. Везде внутри обедненного слоя, кроме непосредственной окрестности его границ, полная концентрация носителей значительно ниже, чем в однородных областях, находящихся на большем расстоянии от переходной области. Существование обедненного слоя – одно из главнейших свойств р-п перехода. Потенциал φ(x) претерпевает изменения практически только в пределах обедненного слоя. В этом слое энергия eφ(x) меняется примерно на E_g (B>ширины запрещенной зоны), на расстоянии, которое обычно составляет несколько сот ангстрем или более (поле в обедненном слое может достигать 10⁶ В/м).

Определим концентрации носителей и электростатический потенциал φ(x). Для концентрации носителей можно записать следующие выражения:

Т.к. величина εeΔφ порядка 1 эВ, концентрации примерно 10¹⁴ – 10¹⁸ атомов в 1 см³, размеры d_n и d_p порядка 10² до 10⁴ A. Поле внутри обедненного слоя имеет порядок , и, следовательно, для указанных значений d_n и d_p оно имеет величину от 10⁵ до 10⁷ В/м, если ширина запрещенной зоны равна 0,1 эВ.