10.6 : Основы теории полупроводников

P-n-переход образуется при соединении полупроводниковых материалов p-типа и n-типа. На границе раздела p-n-перехода дырки с p-стороны и электроны с n-стороны начинают диффундировать в противоположные стороны из-за градиента концентрации. Эта диффузия носителей заряда приводит к образованию области вокруг перехода, где нет свободных носителей заряда, известной как область обеднения. Плотность заряда в области обеднения для n-стороны и p-стороны можно описать уравнениями:

где q — элементарный заряд, N_D и N_A — концентрации легирования донора и акцептора, соответственно.

Фиксированные заряды в области обеднения создают электрическое поле (E), направленное от n-стороны к p-стороне и препятствующее дальнейшей диффузии носителей. Это электрическое поле создает разность потенциалов на переходе, известную как встроенное напряжение (V_0), которую можно рассчитать по формуле:

где V_T — тепловое напряжение, а n_i — собственная концентрация носителей заряда.

В pn-переходе существуют два типа токов: диффузионный ток, обусловленный диффузией носителей, и дрейфовый ток, обусловленный электрическим полем. В состоянии равновесия величина диффузионного тока равна величине дрейфового тока, что приводит к отсутствию чистого тока через переход. В условиях разомкнутой цепи внешний ток отсутствует, а встроенное напряжение обедненного слоя уравновешивает контактный потенциал на переходах металл-полупроводник, что приводит к нулевому сетевому напряжению на клеммах.

Встроенное барьерное напряжение и ширина области обеднения играют решающую роль в поведении перехода. Ширина области обеднения определяет емкость перехода и влияет на то, как переход будет реагировать на внешнее напряжение.