Физика полупроводников - Бонч-Бруевич В.Л.
Скачать (прямая ссылка):
[ГЛ. VII
где разность потенциалов теперь была бы, вообще говоря, другой, так как распределения неравновесных электронов и дырок различны и сторонние силы ё*х и Щх неодинаковы.
Выберем теперь сечения Л и В в таких частях полупроводника, где концентрации избыточных носителей бр = бп = 0. Тогда FnB = = Fpb = FB, Fnл = Fpд = Fa и, следовательно, (cpB — <рл) = = (фд—(рд)'. Поэтому
FB-FA = — e( Фв-Фд), (5.8)
где (фв— фд) есть приложенное внешнее напряжение. Таким образом, разность квазиуровней Ферми есть та величина, которую мы непосредственно измеряем вольтметром.
§ 6. Электронно-дырочные переходы
Рис. 7.8. р — и-переход.
Для создания неравновесных носителей заряда широко применяют электронно-дырочные переходы (р—л-переходы), о которых мы уже говорили в § VI.9. Чтобы избежать сложного и неконтролируемого влияния микрогеометрии поверхности, такие переходы осуществляют не механическим соединением двух полупроводников, а внутри единого монокристалла, в котором создают подходящее распределение донор-ной и акцепторной примесей, например показанное на рис. 7.8. Если эти примеси полностью ионизованы (например, элементы Ш и V групп в германии и кремнии при комнатных температурах), то в левой части кристалла будет дырочная проводимость с концентрацией основных носителей р ~ Na — Na, а в правой части — электронная (п ~ Na—Na). Между ними расположен переходный слой («технологический» переход), в котором концентрация примесей быстро изменяется. В некоторой тонкой области этого слоя доноры и акцепторы компенсируют друг друга (Na ^ Na) и имеет место собственная проводимость (i).
Нужное распределение доноров и акцепторов можно осуществить различными технологическими приемами: добавлением одной из примесей в расплав в процессе роста кристалла; диффузией из газовой фазы одной из примесей (например, донорной в кристалл, уже имеющий акцепторы); сплавлением полупроводника р- (или п-) типа с металлом, являющимся донором (или, соответственно, акцептором), и другими, на которых мы не будем останавливаться.
Распределение концентраций электронов и дырок в р—п-переходе в отсутствие тока показано на рис. 7.9 (внизу) сплошными линиями 1 и 2. При обозначении концентраций мы будем использо-
ЭЛЕКТРОННО-ДЫРОЧНЫЕ ПЕРЕХОДЫ
259
вать дополнительный индекс (р или п), указывающий, к какой области перехода относится данная концентрация. Так, концентрация дырок в дырочной области рр (основные носители) постоянна и велика, она уменьшается (на много порядков) в переходной области и принимает малое значение рп в «-области (неосновные носители). Аналогично, концентрация электронов изменяется от большого значения пп в /г-области до малой величины пр в р-области.
Положим теперь, что к переходу приложено внешнее напряжение так, что на p-области находится «+» источника (как и в гл. VI, напряжение такого знака мы будем считать положительным). При этом дырки из p-области устремятся в /г-область, где они станут неосновными носителями. Так как рр рп, эти дырки будут рекомбинировать с электронами. Однако, вследствие конечности времени жизни дырок тр, рекомбинация произойдет не сразу, и поэтому в некоторой области за пределами перехода концентрация дырок будет оставаться больше рп. Одновременно с этим увеличится и концентрация электронов в «-области, так как дополнительные электроны войдут из электрода для компенсации объемного заряда пришедших дырок. Аналогично, основные носители в «-области — электроны — будут переходить в р-область, становясь там неосновными носителями, и постепенно рекомбинировать с основными носителями — дырками. Поэтому и слева от перехода концентрация электронов увеличится, а также увеличится и концентрация дырок, которые войдут из левого электрода для компенсации объемного заряда электронов. Это явление получило название инжекции неосновных носителей. Однако, как мы видим, в действительности оно заключается в увеличении концентрации носителей обоего знака по обе стороны от перехода, т. е. в возникновении квазинейтральных областей повышенной проводимости. Распределение концентрации неосновных носителей при инжекции показано на рис. 7.9 пунктиром (кривые.З и 4). Из сказанного ясно, что инжекция неосновных носителей возможна только в полупроводниках со смешанной (биполярной) проводимостью. .
Для количественных расчетов электронных явлений, связанных с инжекцией, необходимо знать неравновесные концентрации дырок и электронов на границах перехода хг и —xv Они выражаются особенно просто, если а) полупроводники не вырождены и, кроме того, б) толщина переходной области d = хх + х2 достаточно мала, так что рекомбинацией в этой области можно пренебречь. Количественно
~XjQ
Рис. 7.9. Инжекция в р — л-переходе.
2'еО НЕРАВНОВЕСНЫЕ ЭЛЕКТРОНЫ И ДЫРКИ [ГЛ. VII
второе условие означает, что длины диффузии (см. § 9) дырок Lp и электронов Ln d. Тогда, следуя Щокли, искомые концентрации можно непосредственно получить из сопоставления хода квазиурое-ней Ферми F„ и Fp и краев энергетических зон. Если внешнее напряжение и — 0, то Fn = Fp = F (рис. 7.10, а) и концентрации неосновных носителей на границах имеют равновесные значения
