Область истощения
В физике полупроводников обедненная область , также называемая обедненным слоем , обедненной зоной , областью перехода , областью пространственного заряда или слоем пространственного заряда , представляет собой изолирующую область в проводящем легированном полупроводниковом материале , где подвижные носители заряда рассеиваются или оттесняется электрическим полем . В области обеднения остаются только ионизированные донорные или акцепторные примеси.
Эта область непокрытых положительных и отрицательных ионов называется областью обеднения из-за истощения носителей в этой области.
Обедненная область названа так потому, что она формируется из проводящей области путем удаления всех свободных носителей заряда, не оставляя ни одного, несущего ток. Понимание области обеднения является ключом к объяснению современной полупроводниковой электроники : диоды , транзисторы с биполярным переходом , полевые транзисторы и диоды с переменной емкостью — все они основаны на явлениях области обеднения.
На p-n-переходе мгновенно образуется обедненная область . Легче всего его описать, когда контакт находится в тепловом равновесии или в стационарном состоянии : в обоих этих случаях свойства системы не меняются во времени; они были названы динамическим равновесием . [1] [2]
Электроны и дырки диффундируют в области с более низкой их концентрацией подобно тому, как чернила диффундируют в воду, пока не распределятся равномерно. По определению полупроводник N-типа имеет избыток свободных электронов (в зоне проводимости ) по сравнению с полупроводником P-типа , а P-тип имеет избыток дырок (в валентной зоне ) по сравнению с N-типом . Следовательно, когда полупроводники, легированные N и P, помещаются вместе для образования перехода, свободные электроны в зоне проводимости N-стороны мигрируют (диффундируют) в зону проводимости P-стороны, а дырки в валентной зоне P-стороны мигрируют. в валентную зону N-стороны.
После переноса диффундирующие электроны вступают в контакт с дырками и удаляются за счет рекомбинации на P-стороне. Точно так же рассеянные дырки рекомбинируются со свободными электронами, которые удаляются таким образом на N-стороне. Конечным результатом является то, что рассеянные электроны и дырки исчезли. В области N-стороны вблизи границы перехода свободные электроны в зоне проводимости исчезают из-за (1) диффузии электронов на P-сторону и (2) рекомбинации электронов в дырки, которые диффундируют из P-стороны. сторона. Отверстия в области P-стороны рядом с интерфейсом также исчезли по той же причине. В результате большинство носителей заряда (свободные электроны для полупроводника N-типа и дырки для полупроводника P-типа) обедняются в области вокруг границы перехода, поэтому эта область называетсяобласть истощения или зона истощения . Из-за описанной выше диффузии большинства носителей заряда обедненная область заряжена; его N-сторона заряжена положительно, а P-сторона — отрицательно. Это создает электрическое поле , которое обеспечивает силу, противодействующую диффузии заряда. Когда электрическое поле становится достаточно сильным, чтобы прекратить дальнейшую диффузию дырок и электронов, обедненная область достигает равновесия. Интегрирование электрического поля в области истощения определяет то, что называется встроенным напряжением (также называемым напряжением перехода, барьерным напряжением или контактным потенциалом ).
