praca, a) Rozkłady gęstości ładunków, pola elektrycznego w złączu skokowym i liniowym

Złączem p-n nazywa się bryłę półprzewodnika w której można wyróżnić dwa sąsiadujące obszary, przy czym jeden z nich jest typu p a drugi typu n.

Złącze takie uzyskuje się przez odpowiednie rozmieszczenie domieszek donorowych i akceptorowych w półprzewodniku.

Zmiana rodzaju domieszek i ich koncentracja w złączu p-n wzdłuż osi prostopadłej do powierzchni rozgraniczającej obszary może zachodzić w sposób skokowy, wtedy złącza takie są nazywane złączami skokowymi. Zmiana może zachodzić również liniowo i wtedy takie złącza nazywane są złączami liniowymi.

W strefie przejścia istnieją duże gradienty koncentracji dziur i elektronów. Gradient koncentracji dziur jest przyczyną dyfuzji dziur z obszaru typu p do obszaru typu n, a gradient koncentracji elektronów jest przyczyną dyfuzji elektronów z obszaru typu n do obszaru typu p. W wyniku tej dyfuzji w otoczeniu przejścia tworzy się ładunek przestrzenny: po stronie obszaru typu n ładunek dodatni, ponieważ z obszaru typu n odpłynęły ujemne elektrony a pozostały nieskompensowane dodatnie ładunki nieruchomych jonów donorowych oraz przybyły na skutek dyfuzji z obszaru typu p dodatnie dziury, po stronie zaś obszaru typu p w sposób analogiczny tworzy się ładunek przestrzenny ujemny. W obszarze przejścia powstaje dipolowa warstwa ładunku przestrzennego. Elektrony i dodatnie jony donorów oraz rozdzielone dziury i ujemne jony akceptorów wytwarzają w strefie przejścia pole elektryczne przeciwdziałające dyfuzji, cofające z powrotem elektrony i dziury. W strefie przejścia płyną zatem odpowiednie prądy unoszenia, wywołane powstałym polem elektrycznym.

Dipolowa warstwa ładunku przestrzennego istniejąca w strefie przejścia nazywana jest warstwą zaporową złącza p-n. Na rysunku 1 przedstawiony jest rozkład ładunku przestrzennego w warstwie zaporowej złącza skokowego p⁺-n. Indeks „+” oznacza, że wyróżniony nim obszar ma bardzo dużą konduktywność w stosunku do drugiego obszaru (w tym wypadku konduktywność obszaru p jest znacznie większa od obszaru n).

Rys.1 Rozkład ładunku przestrzennego w warstwie zaporowej złącza skokowego p⁺-n

Na rysunku d_n oznacza głębokość, na jaką warstwa zaporowa wnika w obszar typu n, a d_p oznacza głębokość, na jaką warstwa ta wnika w obszar typu p. Warstwa zaporowa wnika zawsze głębiej w obszary o mniejszej koncentracji domieszek.

Niesymetria tego złącza powoduje niesymetrię ładunku przestrzennego w warstwie zaporowej.

Na rysunku 2 został przedstawiony rozkład ładunku przestrzennego występujący w liniowym złączu p-n.

Rys.2 Rozkład ładunku przestrzennego w złączu p-n o liniowym rozkładzie

koncentracji domieszek

Należy zwrócić uwagę na to, że w związku z symetrią rozkładu koncentracji domieszek w obydwu obszarach złącza liniowego, również i rozkład ładunku przestrzennego w warstwie zaporowej jest symetryczny, co oznacza, że głębokość wnikania ładunku przestrzennego w obydwa obszary jest jednakowa.

Rysunek 3 przedstawia rozkład potencjału i pola elektrycznego w symetrycznym złączu skokowym.

Rys.3 Rozkład potencjału i pola elektrycznego występujący w złączu skokowym p-n

o jednakowej koncentracji domieszek w obydwu obszarach złącza

Należy tu wspomnieć o charakterystycznej wielkości określającej właściwości złącza jakim jest napięcie dyfuzyjne U_D. Jest ono określone jako całkowity skok potencjału występujący na warstwie zaporowej.

Rysunek 4 przedstawia rozkład potencjału i pola elektrycznego w liniowym złączu p-n.