1.3.2 Пряме включення p-n переходу

При використанні p-n переходу в напівпровідникових приладах до нього підключається зовнішня напруга. Величина і полярність цієї зовнішньої напруги визначають електричний струм, що проходить через p-n перехід.

Якщо позитивний полюс джерела живлення підключається до

р-області, а негативний полюс - до n-області, те включення p-n переходу називають прямим. При зміні вказаної полярності джерела живлення включення p-n переходу називають зворотним.

Пряме включення p-n переходу показане на рис. 1.8. Оскільки опір p-n переходу значно перевищує опір нейтральних p- і n-областей, зовнішня напруга Uпр майже повністю падає на цьому переході.

Пряма напруга створює в переході зовнішнє електричне поле, направлене назустріч власному.

Напруженість результуючого поля падає, і рівні Фермі зміщуються таким чином, що потенційний бар'єр зменшується до Uк - Uпр. Це супроводжується звуженням замикаючого шару, ширина якого може бути знайдена із співвідношення (1.24) підстановкою замість Uк величини Uк - Uпр:

.

В результаті зниження потенційного бар'єру більша кількість основних носіїв зарядів дістає можливість дифузійно переходити в сусідню область, що супроводжується зростанням струму дифузії. Струм дрейфу при цьому не зміниться, оскільки він залежить від кількості неосновних носіїв, що з'являються на межах p-n переходу. Ця кількість залежить тільки від концентрації домішок в напівпровіднику і температури.

Збільшення дифузійної складової струму через p-n перехід при незмінній дрейфовій складовій приводить до порушення термодинамічної рівноваги, що встановлюється виразом (1.15). Через перехід проходитиме результуючий струм, визначуваний дифузійній складовій.

Додаткова дифузія носіїв зарядів призводить до того, що на межі p-n переходу підвищуються концентрації дірок у області n-типу до деякого значення і електронів в p-області до значення . Підвищення концентрацій неосновних носіїв в p- і n-областях унаслідок впливу зовнішньої напруги, прикладеної до електронно-діркового переходу

Рисунок 1.8 Пряме включення p-n переходу.

одержало назву інжекції неосновних носіїв. Область, з якої походить інжекція, називають емітером, а область, в яку здійснюється інжекція, — базою.

Оскільки при прямому включенні p-n переходу потенційний бар'єр зменшується, концентрації неосновних носіїв на межах p-n переходу можуть бути розраховані по формулах (1.18) при заміні Uк величиной Uк - Uпр. Тоді:

; (1.25)

. (1.26)

З виразів (1.25) і (1.26) витікає, що на межах p-n переходу під дією прямої напруги Uпр відбувається збільшення концентрацій неосновних носіїв.

Нерівноважні неосновні носії зарядів дифундують в глиб напівпровідника і порушують його електронейтральність. Відновлення нейтрального стану напівпровідників відбувається за рахунок надходження носіїв зарядів від зовнішнього джерела. Це є причиною виникнення струму в зовнішньому ланцюзі, званого прямим і що позначається Iпр.

Концентрації неосновних носіїв в нейтральній області напівпровідника залежать від координати x. Закон їх розподілу може бути знайдений шляхом рішення рівняння безперервності для сталого стану, тобто стану, при якому концентрація неосновних носіїв не змінюється в часі. Цій умові відповідають рівняння безперервності, які при Е = 0 записуються в наступному вигляді:

; (1.27) ; (1.28)

де - дифузійна довжина дірок в n-області; - дифузійна довжина електронів в p-області.

Рішення рівнянь безперервності (1.27) і (1.28) для нейтральної області напівпровідників (почало відліку координати співпадає з межами p-n переходу) за очевидних з рис. 1.7 початкових умов і з урахуванням співвідношень (1.25) і (1.26) мають вигляд:

; (1.29)

. (1.30)

Таким чином, на межі замикаючого шару (x = 0) за рахунок інжекції концентрація носіїв підвищується і досягає наступних значень:

; .

Рівняння (1.29) і (1.30) показують, що в нерівноважному стані при видаленні від p-n переходу концентрації неосновних носіїв зарядів унаслідок рекомбінації убувають по експоненціальному закону від значень і до і .

При x = Lp і x = Ln концентрації неосновних носіїв зменшуються в 2,7 разу. Таким чином, дифузійна довжина - це відстань, на якій концентрація неосновних носіїв в нерівноважному стані зменшується в е раз.