Зонная диаграмма p n перехода

Зонная диаграмма p-n перехода - это графическое представление энергетических уровней (зон) в полупроводнике с p-n переходом, позволяющее понять поведение электронов и дырок вблизи перехода и объяснить механизм его работы.

Основные компоненты зонной диаграммы:

• Энергетические зоны:Зона проводимости (Ec): Область энергий, в которой электроны могут свободно перемещаться, создавая электрический ток.
  Валентная зона (Ev): Область энергий, в которой электроны связаны с атомами решетки полупроводника. Движение дырок (положительно заряженных квазичастиц, представляющих собой отсутствие электронов в валентной зоне) создает электрический ток.
  Ширина запрещенной зоны (Eg): Энергетический зазор между валентной зоной и зоной проводимости. Электронам необходимо преодолеть эту разницу энергий, чтобы перейти в зону проводимости и участвовать в проводимости тока. Eg = Ec - Ev
  
• Уровень Ферми (Ef): Энергетический уровень, вероятность заполнения которого электроном равна 50%. Уровень Ферми характеризует распределение электронов по энергетическим уровням в полупроводнике.
• p-область: Область полупроводника, легированная акцепторными примесями (например, бором), которые создают избыток дырок. Уровень Ферми в p-области расположен ближе к валентной зоне.
• n-область: Область полупроводника, легированная донорными примесями (например, фосфором), которые создают избыток электронов. Уровень Ферми в n-области расположен ближе к зоне проводимости.
• Область пространственного заряда (ОПЗ) или обедненный слой (depletion region): Область вблизи p-n перехода, где происходит диффузия электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. В результате в ОПЗ образуется дефицит подвижных носителей заряда (электронов и дырок) и возникает электрическое поле.
• Энергетический барьер (Vbi): Разность потенциалов, возникающая в ОПЗ, препятствующая дальнейшей диффузии электронов и дырок.

Построение зонной диаграммы:

1. Изолированные p- и n-области: Нарисуйте энергетические зоны (Ec, Ev) и уровень Ферми (Ef) для p-области и n-области отдельно. В p-области уровень Ферми будет ближе к валентной зоне, а в n-области – ближе к зоне проводимости.
2. Формирование p-n перехода: При контакте p- и n-областей электроны из n-области начинают диффундировать в p-область, а дырки из p-области – в n-область. Эта диффузия приводит к изменению концентрации носителей заряда вблизи перехода и формированию области пространственного заряда (ОПЗ).
3. Изгиб зон: Диффузия зарядов приводит к возникновению электрического поля в ОПЗ, которое препятствует дальнейшей диффузии. Чтобы уравнять уровень Ферми по всей структуре (в состоянии термодинамического равновесия), энергетические зоны изгибаются вблизи перехода. Зона проводимости и валентная зона в p-области поднимаются, а в n-области опускаются.
4. Высота энергетического барьера: Величина изгиба зон определяет высоту энергетического барьера (Vbi), который необходимо преодолеть электронам и дыркам для перехода через p-n переход.

Работа p-n перехода:

• Прямое смещение: При приложении положительного напряжения к p-области и отрицательного напряжения к n-области, энергетический барьер уменьшается, что облегчает движение электронов из n-области в p-область и дырок из p-области в n-область. Через p-n переход начинает течь прямой ток.
• Обратное смещение: При приложении отрицательного напряжения к p-области и положительного напряжения к n-области, энергетический барьер увеличивается, что затрудняет движение электронов и дырок через p-n переход. Через p-n переход течет небольшой обратный ток, обусловленный неосновными носителями заряда.

Применение зонной диаграммы:

Зонная диаграмма p-n перехода позволяет объяснить:

• Механизм работы p-n перехода.
• Влияние легирования на характеристики p-n перехода.
• Влияние температуры на характеристики p-n перехода.
• Работу полупроводниковых диодов, транзисторов и других электронных приборов.

Зонная диаграмма – это мощный инструмент для понимания поведения электронов и дырок в полупроводниковых структурах и для проектирования электронных приборов.