Получение полупроводниковых диодов с помощью диффузии

Основным элементом большинства полупроводниковых приборов является электронно-дырочный переход (р-n-переход) , представляющий собой переходный слой между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электронную электропроводность, а другая — дырочную.

1.1.1. Образование p-n перехода. P-n переход в равновесном состоянии

Рассмотрим подробнее процесс образования p-n перехода. Равновесным называют такое состояние перехода, когда отсутствует внешнее напряжение. Напомним, что в р-области имеются два вида основных носителей заряда: неподвижные отрицательно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные положительно заряженные дырки; а в n-области имеются также два вида основных носителей заряда: неподвижные положительно заряженные ионы атомов акцепторной примеси и свободные отрицательно заряженные электроны.

До соприкосновения p и n областей электроны дырки и ионы примесей распределены равномерно. При контакте на границе p и n областей возникает градиент концентрации свободных носителей заряда и диффузия. Под действием диффузии электроны из n-области переходит в p и рекомбинирует там с дырками. Дырки из р-области переходят в n-область и рекомбинируют там с электронами. В результате такого движения свободных носителей заряда в пограничной области их концентрация убывает почти до нуля и в тоже время в р области образуется отрицательный пространственный заряд ионов акцепторной примеси, а в n-области положительный пространственный заряд ионов донорной примеси. Между этими зарядами возникает контактная разность потенциалов φк и электрическое поле Ек, которое препятствует диффузии свободных носителей заряда из глубины р- и n-областей через р-n-переход. Таким образом область, объединённая свободными носителями заряда со своим электрическим полем и называется р-n-переходом.

P-n-переход характеризуется двумя основными параметрами:

1. Высота потенциального барьера. Она равна контактной разности потенциалов φк . Это разность потенциалов в переходе, обусловленная градиентом концентрации носителей заряда. Это энергия, которой должен обладать свободный заряд чтобы преодолеть потенциальный барьер:

где k – постоянная Больцмана; е – заряд электрона; Т – температура; Nа и NД – концентрации акцепторов и доноров в дырочной и электронной областях соответственно; рр и рn – концентрации дырок в р- и n-областях соответственно; ni – собственная концентрация носителей заряда в нелигированном полупроводнике, jт=кТ/е - температурный потенциал. При температуре Т=270С jт=0.025В, для германиевого перехода jк=0,6В, для кремниевого перехода jк=0,8В.

2. Ширина p-n-перехода (рис. 1) – это приграничная область, обеднённая носителями заряда, которая располагается в p и n областях: lp-n = lp + ln: