Примеси, n- и p-тип, область обеднения

Собственный кремний имеет сравнительно мало свободных носителей при комнатной температуре. Введение очень малой концентрации примесных атомов позволяет на порядки изменить проводимость. Донорная примесь создаёт избыток электронов и формирует n-тип, акцепторная — избыток дырок и p-тип.

Когда p- и n-области соприкасаются, носители диффундируют через границу и рекомбинируют. Возле границы остаются неподвижные ионизированные примеси, создающие внутреннее электрическое поле. Так возникает область пространственного заряда, или область обеднения, и встроенный потенциальный барьер.

• В n-области основные носители — электроны, неосновные — дырки.
• В p-области основные носители — дырки, неосновные — электроны.
• Легирование не делает весь кристалл электрически заряженным: в объёме сохраняется квазинейтральность.
• Диффузия носителей через границу p-n создаёт область обеднения без свободных основных носителей.
• Внутреннее электрическое поле области обеднения противодействует дальнейшей диффузии.

Доноры имеют электрон, который сравнительно легко переходит в зону проводимости; акцепторы создают доступное состояние, связанное с образованием дырок. Концентрация легирующей примеси влияет на удельное сопротивление, ширину области обеднения и параметры будущего перехода.

В равновесии диффузионный поток и дрейф под действием встроенного поля уравновешены. Внешнее напряжение может уменьшать или увеличивать барьер, что и лежит в основе прямого и обратного включения диода.

Используйте схемы энергетических зон и рисунок p-n-перехода, чтобы объяснить процессы словами. Цель — не заучивание обозначений, а причинная цепочка.

1. Нарисуйте отдельные p- и n-области и отметьте основные и неосновные носители.
2. Покажите направление начальной диффузии электронов и дырок после контакта.
3. Отметьте неподвижные ионы по обе стороны границы и направление внутреннего поля.
4. Объясните, почему область называется обеднённой.
5. Предскажите, как прямое и обратное внешнее напряжение изменят барьер качественно.

• Считать n-тип отрицательно заряженным куском, а p-тип — положительно заряженным.
• Путать основные носители с единственными существующими носителями.
• Игнорировать встроенное электрическое поле после диффузии.
• Считать область обеднения физическим зазором без атомов.

Температура и повреждение структуры меняют концентрацию носителей и токи утечки. Поэтому ток обратного смещения и пробой имеют физическую связь с процессами в p-n-переходе, а не являются случайными «режимами прибора».

Легирование создаёт управляемые области проводимости, а контакт p- и n-типа создаёт барьер. Этот барьер — центральный объект для понимания диодов, BJT и многих защитных структур микросхем.