2.1.2 P - n - перехід за відсутності зовнішньої напруги

                Нехай зовнішня напруга на різному переході =0 (рис. 2.3).

Рисунок 2.3 –  Р - n - перехід у рівноважному стані

 

Оскільки  або , як це випливає з визначення напівпровідників р- та n- типів, то різниця концентрацій носіїв однойменних зарядів зумовлює дифузію дірок з р-області до n-області, а електронів – з n -області до р-області. Густину загального дифузійного струму через перехід визначають за формулою

.           (2.2)

                При контактному шарі напівпровідника р-типу внаслідок залишення його дірками створюється нескомпенсований заряд негативних іонів акцепторних домішок. У приконтактному шарі напівпровідника n-типу створюється нескомпенсований заряд позитивних іонів донорних домішок (рисунок 2.3,а). Ці заряди є нерухомими, концентрація рухомих вільних носіїв біля контакту зменшується, а отже, опір переходу зростає, внаслідок чого р-n-перехід ще називають областю об’ємного заряду, або запірним шаром.

                Накопичення обємних нерухомих зарядів у р-n –переході приводить до виникнення в ньому дифузійного електричного поля (рисунок 2.3,а), яке має напрям, протилежний до напряму дифузійного пересування дірок з р-області до n-області. За межами області обємного заряду напівпровідникові області р- та n- типів залишаються електрично нейтральними.

                Електричне поле , як це бачимо з рисунка 2.3, гальмує рух основних носіїв через р-n –перехід, але спричинює рух через нього неосновних носіїв (дірок з n-області, електронів з р-області). Інакше кажучи, дифузійне поле переходу приводить до виникнення дрейфового струму неосновних носіїв, протилежного дифузійному струмові основних носіїв. Явище виведення носіїв заряду з області, де вони є неосновними, через  р-n-перехід під дією прискорювального електричного поля, називають екстракцією.

                З появою дифузійного поля переходу між  n - та р-областями виникає різниця потенціалів, яку називають контактною. Враховуючи, що

,                                    (2.3)

де -контактна різниця потенціалів,

а також використовуючи формулу (1.10), визначимо загальну густину дрейфового струму через межу поділу р - та n-областей

                             .                         (2.4)

                У стані теплової рівноваги при =0 (відсутності зовнішнього електричного поля або зовнішньої напруги) чим більша кількість основних носіїв залишатиме власні області, тим більша кількість неосновних носіїв буде екстрагувати через перехід під дією дифузійного поля до областей, де вони стають основними.

                Отже, у відповідних областях системи двох напівпровідників створюватимуться постійні рівноважні концентрації: дірок та електронів  у  р-області; електронів  та дірок  у  n-області. Дифузійний та дрейфовий струми в означеному режимі завжди компенсуватимуть один одного, тобто

.                                             (2.5)

Це означає, що при зовнішній напрузі =0 струм через р-n –перехід не протікає.

У момент установлення режиму рівноваги контактна різниця потенціалів може бути обчислена за однією з наведених нижче формул:

;               (2.6)

,               (2.7)

 

де - температурний потенціал. При кімнатній температурі (Т=300К) 0,026В.

                На енергетичній діаграмі (рисунок 2.10,в) вищезгадані процеси інтерпретуються таким чином. Оскільки потенціальна енергія електрона і потенціал зв’язані співвідношенням , то утворення нескомпенсованих об’ємних зарядів спричинює опускання енергетичних рівнів n-області і підіймання енергетичних рівнів р-області. Зміщення енергетичних діаграм областей закінчується, коли рівні Фермі  та  збігаються. При цьому на межі поділу (х=0) рівні Фермі областей проходять через середину забороненої зони, тобто у т. х=0 ==. Як відомо, ця обставина характерна для НП з власною електропровідністю, опір яких  порівняно з домішковими НП більший. Отже, опір на межі між двома НП, як і опір всього збідненого на носії заряду шару р- та n- кристалів.

                Утворення потенціального барєра  у переході внаслідок зміщення енергетичних діаграм областей на величину  обмежує дифузійне переміщення основних носіїв.

                Рівняння (2.6) та (2.7) дозволяють визначити рівноважні концентрації неосновних носіїв р- та n –областей:

                                ;    .                         (2.8)