JONCTIUNEA p-n LA ECHILIBRU TERMIC

Jonctiunea p-n la echilibru termic

O jonctiune nu poate fi realizata prin punerea in contact mecanic a unui cristal de tip p cu altul de tip n, deoarece oricat de fin ar fi prelucrate suprafetele ce vin in contact, ansamblul astfel format are doua retele cristaline independente, iar in zona contactului apar o multime de defecte ce impiedica miscarea purtatorilor de sarcina si maresc foarte mult viteza de recombinare.

Sa presupunem ca am putea obtine o jonctiune abrupta prin contact mecanic. Imediat dupa realizarea contactului la interfata, concentratiile de purtatori au un gradient foarte mare, datorita caruia unele goluri din p difuzeaza in n (fig. 2.a). La interfata, concentratia are un gradient infinit datorita caruia unele goluri din regiunea p difuzeaza in n, iar electronii invers. Ca urmare a acestei difuzii in vecinatatea interfetei, concentratiile de purtatori mobili devin mult mai mici decat concentratiile impuritatilor ionizate. In final rezulta abateri de la neutralitatea electrica; in zona p, plecand goluri si sosind electroni, apare sarcina spatiala r negativa. Sarcina aparuta genereaza camp electric E de la (+) la (-), camp care se opune difuziei. Dupa realizarea echilibrului termodinamic curentul de difuzie va fi egal si de semn opus celui de camp.

In figura 2.b este reprezentata concentratia impuritatilor; in figura 2.c este reprezentata concentratia golurilor; in figura 2.d este reprezentata concentratia electronilor; in figura 2.e sarcina spatiala r pozitiva este egala in valoare absoluta cu cea negativa; in figura 2.f in afara regiunii cu sarcina spatiala r, campul electric E este nul.

Regiunea in care exista sarcina spatiala si camp electric se numeste regiune de tranzitie. Regiunile fara sarcina spatiala se numesc regiuni neutre. Suprafata intre p si n (adica portiunea in care concentratia efectiva de impuritati este nula - Na=0) se numeste jonctiune metalurgica. Prin jonctiune p-n se intelege atat regiunea de tranzitie, precum si cele doua regiuni neutre.

In figura 2.g apare bariera de potential de marime Uo. Uo a fost reprezentat luand ca referinta regiunea p. Campul din bariera are tendinta sa treaca golurile din n in p.

Deci energia golurilor din p este mai mica decat in n. Pentru ca golurile majoritare din p sa treaca in n, trebuie sa    posede o energie suficient de mare pentru a invinge bariera de potential. Avand in vedere distributia statistica dupa energie, va exista in regiunea p langa zona de tranzitie un anumit numar de goluri cu energie suficient de mare pentru a putea traversa bariera.

Grosimea regiunii de tranzitie este foarte mica in comparatie cu regiunea transversala (de aceea consideram numai variatia dupa Ox). Deoarece in regiunea de tranzitie in jurul zonei metalurgice concentratia impuritatilor este apropiata de cea intrinseca, rezulta ca in aceasta portiune sarcina spatiala este determinata practic doar de impuritatile ionizate. De aceea, se presupune ca in regiunea de tranzitie nu avem concentratii de purtatori fata de cele ale impuritatilor.

Presupunem ca regiunea de tranzitie este golita de purtatori; deci raman numai impuritatile ionizate. Aceasta aproximatie se numeste aproximatie de golire. In aceasta ipoteza sarcina spatiala are o distributie rectangulara (fig. 3) si lp *Na=ln *Nb, unde lp , ln sunt adancimile pe care se intinde r. Aceasta relatie reprezinta neutralitatea globala a semiconductorului si indica patrunderea mai accentuata a regiunilor de sarcina spatiala r in zona mai slab dopata. l =lp +ln m

Un caz particular de dopare a jonctiunii p-n este dat de profilul asimetric, iar jonctiunea se numeste abrupta unilaterala (fig. 4). Aceasta jonctiune se intalneste la semiconductoarele la care una din regiuni este mult mai dopata ca cealalta si se noteaza cu p n (p este mai puternic dopat). La aceste jonctiuni regiunea de tranzitie se extinde practic numai in regiunea slab dopata: l ln . Intr-o astfel de jonctiune toate fenomenele electrice sunt dependente numai de concentratia de impuritati din regiunea slab dopata.

Fig. 3 Fig. 4

Pentru jonctiunea gradata liniar variatia concentratiei impuritatilor se aproximeaza liniar in jurul jonctiunii metalurgice: Nd-Na=a*x, unde a este o constanta (fig. 5.a si fig. 5.b). Pentru jonctiunile reale gradate neliniar variatiile sunt neliniare ca in figura 6.

Fig. 5.a Fig. 5.b Fig. 6