Слой обеднения

Образование обеднённого слоя и пространственного заряда в p-n-переходе за счёт диффузии носителей заряда

P-n-переход, находящийся в тепловом равновесии и с нулевым напряжением смещения.
Графики концентраций электронов и дырок изображены соответственно синими и красными линиями. Серые области электронейтральны. Светло-красная область заряжена положительно, голубая зона область — отрицательно На границе областей пространственного заряда образуется обеднённый слой. Ниже на рисунке представлены графики плотности объёмного заряда, электрического поля и напряжения в переходе в зависимости от координаты.

Cлой обеднения (обедненный, истощенный слой) в физике полупроводников характеризует пониженную, по сравнению с равновесной концентрацию основных носителей на границе двух материалов.

Примером могут служить p-n-переходы или гетерограницы двух полупроводников с разными ширинами запрещённых зон или граница металл-полупроводник.

На границе металл-диэлектрик можно также получить обедненный слой при приложении электрического поля, что является основным физическим принципом работы полевого транзистора.

Образование обедненного слоя

Полная толщина обедненного слоя является функцией приложенного обратного смещения и концентрации примесей

При контакте двух различных полупроводников, или полупроводника с металлом в пограничных слоях возникают потенциальные барьеры, а концентрации носителей заряда внутри этих слоев могут сильно изменяться по сравнению с их значениями в объёме. Свойства приконтактных слоев зависят от приложенного внешнего напряжения, что приводит нелинейности вольтамперной характеристики контакта. Данные нелинейные свойства используются для выпрямления электрического тока, для преобразования, усиления и генерации электрических колебаний.

Рассмотрим контакт металл-полупроводник: электроны из полупроводника переходят в металл, создавая некоторую плотность тока [math]\displaystyle{ j_1 }[/math], а электроны металла — в полупроводник, образуя плотность тока [math]\displaystyle{ j_2. }[/math] Эти токи в общем случае не равны по величине. Если, например, [math]\displaystyle{ j_1 \lt j_2, }[/math] то полупроводник будет заряжаться отрицательно, а металл — положительно до тех пор, пока оба тока не скомпенсируют друг друга. В установившемся состоянии края энергетических зон могут оказаться изогнутыми вниз, а концентрация электронов в приконтактном слое — больше, чем в объёме (обогащенный слой). В противоположном случае [math]\displaystyle{ j_1 \gt j_2, }[/math] установившееся искривление зон приведет образованию обедненного приконтактного слоя.

Свойства

Толщина обеднённого слоя возрастает с увеличением приложенного обратного напряжения, при этом также растет полная величина заряда, сосредоточенного в слое. Отсюда следует, что контакт обладает определённой емкостью, которая получила название зарядной ёмкости.

Обеднённый слой обладает большим удельным электрическим сопротивлением и является основным рабочим слоем полупроводникового диода, транзистора, варикапа и других полупроводниковых приборов.

Литература

• Большая российская энциклопедия. Том 23. Москва, 2013, стр. 462—463.
• Бонч-Бруевич В. Л., Калашников С. Г. Физика полупроводников. — Москва: Наука, 1977.

См. также

• Слой обогащения
• Инверсный слой