Ionisierte Verarmungsregion, warum sind die Aufgeladenen nicht aufgeregt?

Wie kommt es, dass diese ionisierten Atome keine Elektronen verdrängen, um mehr Löcher zu erzeugen (in der ionisierten P-Seite) oder mehr Elektronen aufnehmen (in der positiv ionisierten Region auf der N-Seite)?

Die Deionisation der Donor- und Akzeptoratome in der Verarmungsregion ist nur möglich, wenn sie einen freien Ladungsträger (Elektron bzw. Loch) einfangen. Aber es gibt keine freien Ladungsträger in der Verarmungsregion, weil sie alle von dem starken elektrischen Feld (ungefähr 30$-$40kV/cm$^{\textrm{-1}}$!).

Warum bleibt dann das Elektron von der n-Seite bei den Akzeptoratomen auf der p-Seite, wenn sich der Übergang gebildet hat?

Die kurze Antwort lautet, weil der von den Dotierungsatomen eingefangene Ladungsträger Energie fast einer Bandlücke gewinnen müsste, um zu entionisieren.

Die längere Antwort. Nehmen wir an, ein Akzeptoratom in der Verarmungsregion der p-Seite wird deionisiert, indem es sein eingefangenes Elektron aufgibt. Was geschieht? Das Elektron wird durch das Feld auf die n-Seite zurückgeschoben. Allerdings befindet sich das System nun nicht mehr im Gleichgewicht, da die p-Seite auf +1 und die n-Seite auf -1 aufgeladen ist. Das ist nicht stabil! Sie können sehen, dass, wenn Sie dies zeitlich vorwärts laufen lassen, schließlich ein Elektron von der n-Seite den Akzeptor neutralisieren muss, wodurch das Material wieder in die Ladungsneutralität gebracht wird.

Wenn Sie die Poisson-Gleichung für den pn-Übergang lösen, lösen Sie Folgendes: die Gleichgewichtsverteilung für Ladungsneutralität. Es gibt wahrscheinlich Trägerdynamiken wie Entionisierung, aber sie dienen nur dazu, das System vorübergehend aus dem Gleichgewicht zu bringen, schließlich wird das Gleichgewicht immer wiederhergestellt.

Die Boltzmann-Verteilung ist eine Grundverteilung als Funktion der Temperatur. Es besagt, dass die Wahrscheinlichkeit, Teilchen bei einer bestimmten Energie zu finden, mit zunehmender Energie abnimmt, aber dass bei höheren Temperaturen mit größerer Wahrscheinlichkeit höhere Energien gefunden werden. Für eine einzelne Teilchenart sieht die Boltzmann-Verteilung so aus

Befindet sich ein geladenes Teilchen in einem elektrischen Feld, dann trägt dieses Feld zusätzlich zu seiner rein kinetischen Energie zur Energie bei ($m v^2/2$). So geschrieben (und Faktoren von 1/2 usw. ignorierend),

Dies besagt, dass sich Ladungen bei höheren Temperaturen wahrscheinlich schneller bewegen oder sich in Bereichen mit höherem Potenzial befinden oder ein wenig von beidem. Ladungen überqueren den PN-Übergang durch einfache Diffusion, die mit ihrer Geschwindigkeit zusammenhängt$v$. Je mehr Ladungen sich über diese Kreuzung bewegen, desto höher$\phi$, das elektrische Potential (ein Maß für das elektrische Feld) wird. Dies bedeutet, dass je mehr Ladungen wandern und ein großes Potential aufbauen, desto weniger Geschwindigkeit haben Partikel in diesen Bereichen bei einer festen Temperatur$T$. Während also in der Region immer noch eine erhebliche Temperatur herrscht, manifestiert sie sich nicht mehr nur als kinetische Energie. Mit verringerter kinetischer Energie findet die Diffusion langsamer statt, und so überqueren schließlich keine Ladungen mehr den PN-Übergang (dies ist, wenn der Übergang im Gleichgewicht ist).

Alternativ können Sie es auch so betrachten: Ladungen kreuzen den PN-Übergang und erzeugen ein elektrisches Feld über dem Übergang. Die Etablierung dieses Feldes behindert jedoch das Überqueren weiterer Ladungen. Im Gleichgewicht wirkt die Driftgeschwindigkeit von Ladungen aufgrund des elektrischen Feldes genau der Diffusionsdriftgeschwindigkeit entgegen. Ihre heißen Elektronen prallen also ab und versuchen, sich zu überqueren, aber die angesammelte Ladung wirkt der Kreuzung entgegen, und Ihr Elektron setzt sich dort zurück, wo es hergekommen ist.