p-n переходы и изгиб зон

Соединение полупроводников p-типа и n-типа приводит к выравниванию их уровней Ферми, изгибу энергетических зон и созданию встроенного поля, которое позволяет току легко течь только в одном направлении, что является сущностью диода.

Definition

p-n переход — это граница раздела между полупроводниками p-типа и n-типа; в равновесии диффузия носителей заряда создает обедненную зарядами область со встроенным электрическим полем, которое изгибает энергетические зоны так, что уровень Ферми остается постоянным, а приложенное смещение нарушает это поле, вызывая выпрямление тока.

Scope

Эта тема охватывает физику p-n перехода: диффузию носителей заряда через металлургический переход, результирующую обедненную область и встроенный потенциал, изгиб зон, выравнивающий уровень Ферми, и выпрямляющую вольт-амперную характеристику при прямом и обратном смещении. Рассматриваются уравнение диода Шокли, ширина и емкость обедненного слоя, а также пробой, что является основой для диодов, транзисторов и солнечных элементов.

Core questions

• Почему соединение материалов p-типа и n-типа создает обедненную область и встроенный потенциал?
• Как изгиб зон поддерживает постоянный уровень Ферми по всему переходу в равновесии?
• Почему переход легко проводит ток при прямом смещении, но блокирует его при обратном смещении?
• Что определяет ширину обедненного слоя, емкость перехода и напряжение пробоя?

Key concepts

• Обедненная область и встроенный потенциал
• Изгиб зон и выравнивание уровня Ферми
• Прямое и обратное смещение
• Уравнение диода Шокли и выпрямление
• Емкость перехода и пробой

Key theories

Теория диода Шокли

Шокли вывел экспоненциальную зависимость тока от напряжения для идеального p-n перехода из диффузии неосновных носителей заряда через обедненную область, объяснив выпрямление и предоставив количественную модель, лежащую в основе диодов и биполярных транзисторов.

Clinical relevance

p-n переход является элементарным строительным блоком полупроводниковой электроники: выпрямительные и сигнальные диоды, светоизлучающие диоды, фотодиоды и солнечные элементы представляют собой переходы, а биполярные и полевые транзисторы строятся из их комбинаций.

History

Оль (Ohl) идентифицировал выпрямление на p-n границе кремния в 1939 году, а теория перехода Шокли 1949 года объяснила его работу и непосредственно привела к созданию транзистора с p-n переходом, что стало основополагающей работой, отмеченной Нобелевской премией 1956 года, разделенной с Бардином и Браттейном.

Key figures

• William Shockley
• Russell Ohl
• John Bardeen

Seminal works

• shockley1949
• sze2007

Frequently asked questions

Почему p-n переход проводит ток только в одном направлении?

Прямое смещение снижает встроенный барьер, так что основные носители заряда массово пересекают переход, и ток экспоненциально возрастает; обратное смещение повышает барьер, оставляя лишь крошечный ток неосновных носителей, поэтому переход действует как односторонний клапан для тока.

Что такое изгиб зон?

Вблизи перехода встроенное электрическое поле обедненной области смещает локальные энергетические зоны вверх или вниз в зависимости от положения; этот изгиб именно то, что поддерживает уровень Ферми постоянным по всему устройству в равновесии, как того требует отсутствие чистого тока.