Физические основы p-n перехода
p-n переход образуется при контакте двух областей одного и того же полупроводника, легированных примесями разного типа: p-области с преобладанием дырок (основных носителей) и n-области с преобладанием электронов. При таком соединении возникает особая область – переходный слой или область пространственного заряда, в которой происходит перераспределение носителей заряда и формирование внутреннего электрического поля.
Формирование области пространственного заряда
В момент контакта p- и n-областей электроны из n-области начинают диффундировать в сторону p-области, где концентрация электронов значительно ниже. Аналогично, дырки из p-области диффундируют в сторону n-области. При этом электроны, покидая n-область, оставляют позади ионизированные доноры с положительным зарядом, а дырки, уходя из p-области, оставляют за собой ионизированные акцепторы с отрицательным зарядом.
В результате вблизи границы возникает запирающий слой, свободный от подвижных носителей. Этот слой содержит только неподвижные заряды примесных ионов: положительные в n-области и отрицательные в p-области. Такое распределение зарядов создает встроенное электрическое поле, направленное от n-области к p-области.
Встроенный потенциал и его значение
Встроенный потенциал Vbi – это разность электрических потенциалов между p- и n-областями, возникающая в состоянии термодинамического равновесия. Он препятствует дальнейшей диффузии носителей, так как электрическое поле, возникающее в области пространственного заряда, направлено противоположно направлению диффузионных потоков.
Величина Vbi зависит от концентраций легирующих примесей и температуры:
$$ V_{\text{bi}} = \frac{kT}{q} \ln \left( \frac{N_a N_d}{n_i^2} \right) $$
где Na – концентрация акцепторов, Nd – концентрация доноров, ni – собственная концентрация носителей, k – постоянная Больцмана, T – температура, q – заряд электрона.
Энергетическая диаграмма p-n перехода
До контакта энергетические диаграммы p- и n-областей различаются положением уровня Ферми: в n-области он ближе к зоне проводимости, в p-области – к валентной зоне. После установления термодинамического равновесия уровень Ферми выравнивается по всей структуре. Это приводит к искривлению зонной структуры в области перехода: зона проводимости и валентная зона поднимаются в n-области и опускаются в p-области относительно изначального уровня.
Прямое и обратное смещение
Уравнение тока p-n перехода
При идеализации процесса, ток через p-n переход в зависимости от приложенного напряжения описывается уравнением Шокли:
$$ I = I_s \left( e^{\frac{qV}{kT}} - 1 \right) $$
где Is – ток насыщения, зависящий от концентраций примесей, температуры и времени жизни неосновных носителей.
Ширина обедненной области
Ширина переходного слоя W определяется концентрациями примесей в p- и n-областях и приложенным напряжением:
$$ W = \sqrt{ \frac{2 \varepsilon_s}{q} \cdot \frac{(N_a + N_d)}{N_a N_d} \cdot (V_{\text{bi}} - V) } $$
где εs – диэлектрическая проницаемость полупроводника, V – внешнее напряжение.
Емкость p-n перехода
В области пространственного заряда p-n переход проявляет себя как емкость, зависящая от обратного напряжения:
$$ C = \frac{\varepsilon_s A}{W} $$
где A – площадь перехода. Поскольку W растет с увеличением обратного напряжения, емкость уменьшается. Это свойство используется в варикапах.
Рекомбинация и генерация носителей
В реальных p-n переходах существенную роль играют процессы рекомбинации и генерации в области пространственного заряда. При прямом смещении рекомбинация способствует увеличению тока, особенно в низковольтной области. При обратном смещении генерация носителей в запрещенной зоне за счет теплового возбуждения или ловушек приводит к возникновению обратного тока.
Эффекты пробоя p-n перехода
При достаточно большом обратном напряжении может наступить пробой: