P-n ПЕРЕХОДЫ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ДИОДЫ

Переходные области между полупроводниками р- и и-типа играют важную роль в современной электронике как основа самостоятельного полупроводникового прибора (диода) и для понимания работы других полупроводниковых приборов. Основы теории р-п переходов заложены Шокли [ 1,2| и развиты Са, Нойсом, Шокли [3], а также Моллом [4].

Понятие о р-n переходе

Определение и классификация р-n переходов

Одним из основных понятий полупроводниковой электроники является понятие о р-п переходе — области пространственного заряда (ОПЗ), возникающей при резком пространственном изменении типа проводимости полупроводника.

На рис. II.1.1 представлены равновесные распределения зарядов в полупроводнике при плавном и резком изменении типа проводимости. При плавном изменении типа проводимости (рис. II.1.1, а) градиент концентрации результирующей примеси N-N₍i~N_a мал, соответственно малы и диффузионные токи электронов и дырок. Эти токи компенсируются дрейфовыми токами, которые вызваны электрическим полем, связанным с нарушением условия электрической нейтральности,.

Для компенсации диффузионных токов достаточно незначительного нарушения нейтральности, и условие (II. 1.1) можно считать приближенно выполненным:

Рис. II. 1.1. Распределение примеси и носителей заряда в полупроводнике при плавном («) и резком (б) изменении типа проводимости При резком изменении типа проводимости (см. рис. П. 1.1, б) диффузионные токи велики, и для их компенсации необходимо существенное нарушение электронейтральности.

Известно, что экранирование малого электрического заряда в полупроводнике подвижными носителями осуществляется в области с размерами порядка дебаевской длины экранирования.

где (p_r = kT / е — температурный потенциал. При этом электрическая нейтральность существенно нарушается, если на дебаевской длине экранирования изменение результирующей концентрации примеси велико. Таким образом, нейтральность существенно нарушается при условии.

В состоянии термодинамического равновесия при отсутствии вырождения справедлив закон действующих масс.

При условии (II.1.5) правая часть (II.1.4) достигает минимума при n₀ = p₀ = n_j. Поэтому условие существования р-п перехода (условие существенного нарушения нейтральности) имеет вид.

где L[)j = ^??₀фу / е2п₁ — дебаевская длина экранирования в собственном полупроводнике.

Переходы, в которых изменение концентрации примеси на границе слоев р- и «-типа может считаться скачкообразным (dN / dx| —"о=), называются ступенчатыми. В плавных р-п переходах градиент концентрации примеси конечен, по удовлетворяет неравенству (П. 1.6).

Практически ступенчатыми могут считаться р-п переходы, в которых изменение концентрации примеси происходит на длине, много меньшей ширины перехода. Такие переходы могут быть получены путем сплавления или эпитаксии.

По отношению к концентрации основных носителей в слоях р- и «-типа переходы делятся на симметричные и несимметричные.

В симметричных переходах функция N (x) обладает центральной симметрией относительно точки х = 0, где N = 0. В несимметричных р-п переходах более легированная (и, соответственно, более электропроводная) область называется эмиттером, а менее легированная (высокоомная) — базой. Отметим сразу, что эмиттер может оказаться вырожденным-, база практически никогда вырожденной не бывает за исключением специальных случаев, которые будут оговорены.

Особую группу составляют точечные р-п переходы, в которых размер эмиттера настолько мал, что переход имеет форму сферического слоя. Точечные переходы могут быть получены на основе контакта металлической иглы с полупроводником при последующем вжигапии. Точечные переходы в микроэлектронике практически не используются и в дальнейшем рассматриваться не будут. В противоположность им плоскостные переходы ограничены со стороны р- и «-областей плоскостями. Обычно размеры плоскостных р-п переходов в поперечном направлении намного больше ширины перехода, что позволяет использовать при их анализе одномерное приближение (краевые эффекты не учитываются).

В заключение отметим, что формула (И.1.1) предполагает полную ионизацию избыточных примесей (плотность заряда примесных атомов составляет e (N_d — N_a)), а формула (II.1.5) — отсутствие вырождения. Случаи, когда эти допущения не выполнены, будут рассматриваться особо.