1. Токи в полупроводниках (диффузионный и дрейфовый)

В полупроводнике диффузия носителей заряда происходит из области с большей их концентрацией в область с меньшей кон­центрацией. Диффузия носителей заряда приводит к тому, что в области с большей концентрацией остается некомпенсированный заряд ионизированных атомов примеси, а противоположная часть полупроводника заряжается перешедшими сюда избыточными но­сителями заряда. Между зарядами отрицательных акцепторов и положительных дырок образуется разность потенциалов U, под действием которой в полупроводнике протекает дрейфовый ток дырок, направленный навстречу диффузионному току дырок. По мере диффузии гради­ент концентрации носителей заряда уменьшается, а дрейфовый ток из-за роста объемных зарядов будет расти. Равновесие наступит тогда, когда дрейфовый ток достигнет величины диффузионного тока. В состоянии термодинамического равновесия энергия уровня Ферми одинакова по всему кристаллу, и границы энергетических зон оказываются смещенными по отношению к уровню Ферми. Если процесс генерации неравновесных носителей заряда про­исходит не во всем объеме, а только в какой-то части полупровод­ника, то там образуется локальная область с повышенной концен­трацией носителей заряда, что вызывает появление диффузионного тока. Величина этого тока будет тем больше, чем больше концен­трация неравновесных носителей заряда. Процесс диффузии носителей одного знака сопровождается в однородно легированных полупроводниках диффузией носителей заряда другого знака. Предположим, что часть дырок ушла из дан­ного объема полупроводника. В результате нарушилась электро-нейтральность этого объема, образовался пространственный заряд и возникло электрическое поле. Поле вызовет появление потока электронов, которые полностью восстановят электронейтральность и образце, причем произойдет это практически мгновенно. В процессе диффузии неравновесные носители заряда рекомби-нируют. За время жизни неравновесные носители проходят некото­рый средний путь, называемый диффузионной длиной неосновных носителей заряда L. Эту длину определяют как расстояние, на котором концентрация избыточных носителей вследствие рекомби­нации уменьшается в е раз.

2. P/n переход. Сост. Равновесия

В состоянии равновесия уровень Ферми в n- и p-областях выравнивается. Происходит это так: На представленной схеме изображен полупроводниковый монокристалл, (например, германий или кремний), правая часть которого легирована донорной примесью и обладает n-типом проводимости, а левая часть монокристалла легирована акцепторной примесью и является полупроводником p-типа проводимости. В общем случае концентрация доноров и акцепторов может быть неодинакова.

Так как концентрация электронов в правой части кристалла (в донорной области) выше, электроны проводимости будут диффундировать в левую часть кристалла через границу раздела и рекомбинировать с дырками. Дырки будут диффундировать в противоположном направлении. В результате в приконтактной области донорного полупроводника практически не остается свободных электронов, и в ней формируется объемный положительный заряд неподвижных ионизированных доноров. Ионизированные акцепторы создают область отрицательного пространственного заряда в акцепторном полупроводнике. Взаимная диффузия электронов и дырок продолжается до тех пор, пока электрическое поле, которое возникает от заряда неподвижных доноров и акцепторов, не остановит диффузионный ток, и в полупроводнике появится потенциальный барьер UD, препятствующий самопроизвольному току в кристалле. Этот потенциал играет роль контактной разности потенциалов. Это же поле выталкивает неосновные носители, перебрасываемые из одной области в другую, и в условиях теплового равновесия при отсутствии внешнего электрического напряжения, полный ток через электронно-дырочный переход равен нулю.

Таким образом, в электронно-дырочном переходе существует динамическое равновесие, при котором небольшой ток, создаваемый неосновными носителями (электронами вр-области и дырками в n-области), течет к p-n-переходу и проходит через него под действием контактного поля. Равный по величине ток, создаваемый диффузией основных носителей (электронами в n-области и дырками в р-области), протекает через переход в обратном направлении. При этом основным носителям приходится преодолевать контактное поле (потенциальный барьер). Разность потенциалов, возникающая между p- и n-областями из-за наличия контактного поля (контактная разность потенциалов или высота потенциального барьера), обычно составляет десятые доли вольта.

3. Распределения в пн переходе

4. Энергетическая диаграмма пн перехода

Сост равновесия прямое напряжение обратное

5. Токи в p/n переходе ( прямое и обратное включения)

6. Инжекция и экстракция

Если изменить высоту потенциального барьера и ширину p-n перехода при прямом и обратном смещении, то изменятся и граничные концентрации неосновных носителей заряда. Концентрация носителей p_n и n_p

Что следует выделить:

1. Концентрация носителей p_n и n_p увеличивается по сравнению с равновесной, если напряжение подано в прямом направлении. Процесс нагнетания неосновных носителей в соседние области называют инжекцией.  2. Концентрация p_n и n_p уменьшается по сравнению с равновесной, если напряжение подано в обратном направлении.  Процесс вытягивания неосновных носителей из соседних областей называют экстракцией.

В несимметричных переходах концентрации неосновных носителей в областях p и n отличаются на несколько порядков. Поэтому концентрация неосновных носителей будет значительно большей в высокоомной области.  Таким образом, в реальных несимметричных p-n переходах инжекция имеет односторонний характер. Неосновные носители инжектируются из низкоомного слоя в высокоомный. Низкоомный слой называют эмиттером, высокоомный - базой

Уровень инжекции

При прямом смещении перехода концентрация дырок на его базовой границе уменьшается. Избыточные дырки "уходят" в глубину базы. По мере удаления от перехода их концентрация уменьшается из-за рекомбинации и позже формируется некое распределение избыточных дырок. Инжекция дырок в базу нарушает её электронейтральность и способствует приливу черезмерных электронов из внешней цепи. Эти электроны, дабы компенсировать избыточный заряд дырок, распределяются так же, как и дырки. Интенсивность диффузии носителей в базу обычно характеризуют уровнем инжекции:

Δp_n(0), Δn_n(0) - граничные концентрации избыточных дырок электронов; n_n0 - концентрация равновесных электронов.

Обратное смещение p-n перехода приводит к экстракции неосновных носителей из соседних областей. Неосновные носители, которые попадают в переход, перебрасываются его полем в соседнюю область. Поэтому концентрация неосновных носителей заряда в областях p и n на границе с объёмным зарядом при обратном смещении всегда равна нулю.