Предисловие

 Физические основы работы полупроводниковых приборов достаточно хорошо изложены в монографиях и учебных пособиях [1-10]. Большинство из этих книг рассчитано на специалистов по  полу­проводниковой электронике и написано с широким применением математического аппарата.

Целью настоящей методической разработки является упрощённое изложение, не прибегая к сложным математическим выкладкам, основных теоретических соотношений, определяющих электрические характеристики  полупроводниковых  приборов.

Чтение небольшого спецкурса "Физика и технология полупроводниковых приборов" для студентов, специализирующихся по физике твёрдого тела является желательным, так как это закрепляет ранее полученные знания по физике полупроводников и знакомят их с практическим применением этих знаний.

  1.1 Образование электронно-дырочного перехода. Контактная разность потенциалов.

Электронно-дырочный (p-n) переход образуется на границе дырочной и электронной областей проводимости полупроводника. О способах создания этого перехода будет сказано в главе "Технология полупроводниковых приборов", а здесь рассмотрим основные параметры p-n  -перехода.

Пусть мы имеем два куска одного и того же полупроводника с электронной и дырочкой проводимостью. Для определённости будем считать, что концентрация электронов в электронной части равна концентрации дырок в дырочной части, т.е. n=p.  До приведения в контакт этих двух кусков каждый из них электронейтрален.  Кусок с электронным типом проводи­мости состоит из атомов основного вещества, часть которых в узлах решётки заменена атомами донорной примеси (элементы 5 группы

периодической системы элементов). Четыре валентных электронов атома примеси устанавливают ковалентную связь с четырьмя атомами основного вещества, а пятый, слабосвязанный с атомом, под действием тепловой энергии решётки покидает атом и становит­ся свободным. Атом примеси при этом становится положительно заряженным ионом. Здесь важно заметить, что ионы донорной примеси закреплены в узлах кристаллической решётки и не могут перемещаться по кристаллу, а созданные ими свободные элек­троны могут свободно перемещаться. Суммарный положительный заряд всех ионов донорной примеси равен суммарному отрицательному заряду свободных электронов и в целом полупроводник электронейтрален.

В полупроводнике дырочной проводимости в качестве примеси используются атомы элементов третьей группы периодической системы. Они создают в полупроводнике свободные дырки, а сами превращаются в отрицательные ионы. И здесь ионы акцептора закреп­лены в узлах решётки, а свободные дырки могут перемещаться по кристаллу. Суммарный отрицательный заряд ионов акцептора равен суммарному положительному заряду дырок и полупроводник в целом электронейтрален. Энергетические диаграммы, изолированных друг от друга полупроводников дырочного и электронного ти­пов, представлены на рис.1.1, в.

Если приведём в контакт эти два полупроводника, то произойдёт переход(диффузия)  электронов из n-области в р- область и переход дырок из р- области в n-область, т.к. в n-области n>>р, а в р- области р>>n.

Из-за ухода электронов в n-области остаётся некомпенсированный положительный заряд ионов доноров, а в р - области - некомпенсированный отрицательный заряд ионов акцепторов. По­этому на границе р-n перехода образуется двойной электричес­кий слой, поле которого создаёт потенциальный барьер, препятствующий дальнейшей диффузии электрических зарядов. Таким образом  на границе p-n перехода устанавливается, так называемая, контакт­ная разность потенциалов, которая сдвигает энергетические уровни в двух областях p-n перехода на величину, равную разности уровней Ферми в р- и n - областях при отсутствии контакта. Энергетическая диаграмма p-n перехода приведена не рис.1.1,г. Этот сдвиг происходит из-за выравнивания уровней Ферми по обе стороны p-n перехода в условиях термодинамического равновесия. Исходя из этого, можно определить контактную разность потенциалов  qj_k=E_fn -E_fp.

Отсюда ,  где -

 q- заряд электрона,

j_k- контактная разность потенциалов,

E_fn - уровень Ферми в n- полупроводнике,

E_fp-  уровень Ферми в  p- полупроводнике,

k  - постоянная Больцмана,

Т - абсолютная температура,

p_p,n_n,n_i- концентрация дырок в р - полупро­воднике; электронов в n-полупроводнике и концентрация носителей в собственном полупроводнике соответственно.

              

Рис.1.1  а) и б) – кусочки полупроводника различных типов проводимостей до и после приведения их в контакт, в)-энергетические диаграммы изолированных кусков (слева полупроводник p- типа, справа – n-типа), г)- энергетическая диаграмма p-n перехода