Теория твердого тела -
Скачать (прямая ссылка):
акцепторов — при х > 0.
зоны проводимости изолятора. В обычном р — n-переходе область собственной проводимости настолько толстая, что туннельный ток пренебрежимо мал. В п. 2 данного параграфа мы рассмотрим такие переходы, в которых эта область достаточно тонка, чтобы возникал заметный туннельный ток.
§ 3. Полупроводниковые системы
307
Ясно, что энергетическая диаграмма на фиг. 78 согласуется с нашими представлениями о распределении поля. Если рассмотреть, к примеру, полупроводник с постоянной концентрацией акцепторов при х > 0 и доноров при х С 0, то можно построить диаграмму, представленную на фиг. 79. При обычных температурах доноры и акцепторы полностью ионизованы. В глубине области п-типа электронов должно быть ровно столько же, сколько и доноров. Отрицательный заряд первых в точности компенсируется положительным зарядом последних. Эта область нейтральна, и в ней нет электрического поля. Вблизи перехода, однако, где зоны изображены поднимающимися вверх, край зоны проводимости уходит далеко от энергии Ферми, концентрация электронов резко падает и имеющиеся там доноры оказываются нескомпенсированными. Возникает положительный заряд и электростатический потенциал для электронов возрастает, изгибаясь вверх, что и представлено перегибом на зонной схеме. Подобным же образом в начале p-области нескомпенсированными оказываются акцепторы и кривизна становится отрицательной, что и показано на фиг. 79. Глубоко в р-области, наконец, кристалл нейтрален и потенциал опять постоянен. Таким образом, указанная деформация зон возникает просто вследствие действия электростатического потенциала, наводимого нескомпенсированными донорами и акцепторами.
Энергия Ферми, которая равна свободной энергии электронов, всюду одна и та же. Это справедливо, конечно, только в отсутствие приложенного к системе напряжения. В этом случае не происходит перемещения электронов из одной части системы в другую. Лишь очень малое их число в области n-типа обладает энергией, достаточной, чтобы попасть в зону проводимости p-области. Тем не менее такие электроны есть, и их поток в точности компенсируется потоком, втекающим в n-область, обусловленным очень малым числом электронов, имеющихся у дна зоны проводимости области р-типа.
Предположим теперь, что к системе приложено напряжение. Напряжение, увеличивающее энергию электронов в области п-типа, называется прямым. Оно поднимает край зоны проводимости в «-области, уменьшая тем самым разницу в энергиях зоны проводимости по обе стороны от перехода. Изучаемый полупроводник представляет собой довольно хороший проводник в областях п- и p-типа и близок к изолятору в области барьера между ними. Поэтому приложенное напряжение просто изменяет тот изгиб зон, который обусловлен нескомпенсированным зарядом доноров и акцепторов. С приложенным к ней напряжением эта система перестает быть равновесной. Энергия Ферми теперь уже не постоянная. Мы можем представить ее «изогнутой», как это сделано на фиг. 80 *).
*) Это ие вполне точно. Вблизи перехода нельзя говорить о единой энергии Ферми для электронов и дырок — уровень Ферми здесь «раздваивается». Подробнее об этом см. в книге [44].— Прим. ред.
20*
308
Гл. III. Электронные свойства
Разница энергий Ферми по обе стороны от перехода равна просто приложенному напряжению, умноженному на заряд электрона.
Теперь, когда минимум зоны проводимости в «-области поднялся вверх (или, что эквивалентно, опустился вниз в p-области), уже
Фиг. 80. р — n-переход в присутствии прямого напряжения V, поднимающего уровень Ферми ?„ в л-области над уровнем Ферми %р в р-
области.
Фиг. 81. Зависимость тока р — л-перехода от напряжения.
Справа — прямое напряжение. При обратном напряжении через переход течет очень малый ток, что и отвечает выпрямляющему действию прибора.
большее число электронов из «-области будет иметь энергию, достаточную, чтобы перейти в p-область. Число же электронов в р-обла-ети сохраняется неизменным, так что обратный поток остается прежним. Таким образом, при приложении прямого напряжения возникает ток. Аналогичным же образом можно рассмотреть и поведение дырок. В результате мы обнаружим, что прямое напряжение увеличивает поток дырок в «-область, повышая тем самым прямой ток. Текущий через переход ток может быть весьма значительным. Чем больше приложенное напряжение, тем большее число электронов дает вклад в ток. В конце концов, когда будет приложено напряжение, достаточное, чтобы сравнять края зон по обе стороны от перехода, ток окажется сравнимым с тем, который течет в однородном полупроводнике «-типа.
Рассмотрим теперь, к чему приводит обратное напряжение. В этом случае зона проводимости в полупроводнике p-типа поднимется относительно зоны в материале n-типа еще выше. Ток в прямом направлении уменьшается, в то время как в обратном остается
§ 3. Полупроводниковые системы
309
прежним. Сравнивая их, мы опять находим полный ток, текущий на сей раз в обратном направлении. Этот ток, однако, всегда чрезвычайно мал. Он ограничен очень малым током, соответствующим числу электронов в полупроводнике p-типа. Подобное же рассуждение для дырок показывает, что и дырочный поток в обратном направлении чрезвычайно мал.
