8.3. Процессы в объеме полупроводника при нарушении равновесия

 

          Когда к p-n переходу приложено внешнее напряжение, то равновесие нарушается не только в переходе, но и в прилегающих к нему областях полупроводника. Во-первых, в этих областях устанавливается хотя и слабое, но не равное нулю поле. Во-вторых, и это наиболее существенно, в эти области происходит инжекция (или экстракция) неосновных носителей заряда, в результате чего их концентрация становится заметно отличной от равновесного значения. Нарушение равновесия в объеме полупроводника приводит к возникновению в нем следующих трех процессов, каждый из которых протекает в таком направлении, чтобы вернуть полупроводник в состояние равновесия.

          Первым из этих процессов является так называемый генерационно - рекомбинационный процесс, заключающийся в том, что при концентрации СНЗ отличной от равновесного значения становятся неравными скорости рекомбинации и генерации. В результате концентрация СНЗ начинает либо убывать, либо возрастать, стремясь к значению, соответствующему интенсивности воздействия внешнего фактора, нарушающего равновесие.

          Второй процесс связан с неравномерностью распределения СНЗ в объеме полупроводника и заключается в диффузии неравновесных носителей заряда в направлении убывания их концентрации.

          Третий процесс заключается в переносе свободных носителей заряда электрическим полем.

          Заметим, что первые два из перечисленных процессов особенно существенны для неосновных носителей, так как вследствие малой концентрации этих частиц достаточно сравнительно слабых внешних воздействий, чтобы вызвать весьма значительное ее относительное изменение. Третий процесс, напротив, наиболее существенен для основных носителей заряда. Концентрация основных носителей заряда настолько велика, что даже в слабых электрических полях перенос полем превалирует над другими процессами, протекающими в системе этих частиц.

          Установление поля в переходе, т.е. процесс поляризации полупроводника, является процессом практически безинерционным. Время этого развития составляет величину порядка 10^-12…10^-13 секунды. Однако, установление тока в переходе происходит значительно медленнее и лимитируется процессами в объеме полупроводника. Действительно, перенос заряда в областях, прилегающих к переходу, осуществляется в значительной мере инжектируемыми или экстрагируемыми неосновными носителями. Скорость этого переноса и время его установления определяются скоростью протекания и временем установления перечисленных кинетических процессов.

 

8.4. Электронно-дырочный переход в неравновесном состоянии

         

          Если к p-n переходу подключить источник напряжения, то равновесное состояние нарушается – в цепи потечет ток. Так как сопротивление обедненного слоя значительно превышает сопротивление нейтральных областей, то при малом токе внешнее напряжение U практически полностью прикладывается к обедненному слою. Под действием этого напряжения изменяется высота потенциального барьера.

          Если плюс источника питания подключен к р-области, а минус к n-области, то напряжение на переходе называют прямым (U > 0). При прямом напряжении потенциальный барьер понижается, поскольку внешнее поле направлено навстречу внутреннему полю перехода. При обратном напряжении на переходе (минус источника подключается к р-области) потенциальный барьер повышается, так как внешнее поле складывается с внутренним.

          Вместе с высотой потенциального барьера изменяется и его толщина. При обратном напряжении L_об увеличивается, что можно объяснить смещением основных носителей от перехода под действием электрического поля. При этом обнажаются дополнительные ионы примесей у границ перехода, что приводит к росту толщины обедненного слоя и высоты барьера. Этот процесс происходит за время, близкое времени диэлектрической релаксации. При прямом напряжении L_об уменьшается вследствие смещения основных носителей в сторону обедненного слоя. Проникая в обедненный слой, они компенсируют часть его объемного заряда, что приводит к снижению толщины слоя. Для несимметричного ступенчатого p-n перехода:

 

                                        (8.1)

         

где  - контактная разность потенциалов при Т=0 К.

На энергетических диаграммах перехода (рис.8.1.) при прямом (а) и обратном (б) смещении уровни Ферми в областях р- и n- типа в отличие от равновесной диаграммы располагаются на разной высоте, а разность между ними равна q/U/.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

При прямом смещении напряженность поля в переходе уменьшается, условие равновесия диффузионного и дрейфового токов нарушается – диффузия электронов из n-области и встречная диффузия дырок преобладают по сравнению с их дрейфовым движением. Вследствие диффузии увеличивается концентрация неосновных носителей в нейтральных областях, граничащих с переходом. Этот процесс называется инжекцией неосновных носителей.

          Инжекции присущи резкая зависимость концентрации неосновных носителей от напряжения: при повышении напряжения всего лишь на 2,3 _Т (60 мВ при Т = 300 К) концентрация возрастает на порядок.

          Избыточные неосновные носители могут возникать у границ перехода не только за счет приложения внешнего напряжения, но и вследствие воздействия других факторов, например света. В результате на переходе появляется напряжение (ЭДС), которое может быть выражено через концентрации неосновных носителей по (8.2) , (8.3), если их разрешить относительно напряжения.

    

                                                                              (8.2)

 

                                                                              (8.3)

 

где  - контактная разность потенциалов при температуре Т.

Таким образом, независимо от причины, вызывающей появление избыточных концентраций неосновных носителей, связь их с напряжением определяется выражениями (8.2) , (8.3).

          При высоком напряжении толщина перехода (8.1) возрастает не пропорционально напряжению, в результате напряженность электрического перехода увеличивается и в нем преобладает дрейфовое движение носителей по сравнению с диффузионным: дырки в n-области и электроны в р-области  вследствие теплового хаотического движения могут пересечь границы перехода, где они попадают в ускоряющее поле, переносящее их в соседнюю область. В результате уменьшаются концентрации неосновных носителей у границ перехода; это явление называют экстракцией неосновных носителей. Выражения (8.2) , (8.3) справедливы и для экстракции, при U < 0 из них следует ∆n_р < 0, ∆р_n < 0, что соответствует уменьшению концентраций неосновных носителей по сравнению с равновесными концентрациями.