Электронно-дырочный переход под прямым напряжением

Если токи диффузии и дрейфа не уравновешивают друг друга, то состояние перехода называют неравновесным. Оно возникает, если к переходу приложено внешнее напряжение, а потенциальный барьер повышен или понижен по сравнению с его величиной в равновесном состоянии.

На рис. 10, а показана p-n структура, к которой приложено внешнее напряжение плюсом к р-области, а минусом к n-области. Такое напряжение, называется прямым , или отпирающим для ЭДП, а ток, протекающий через переход, называется прямым током.

Под воздействием прямого напряжения в p-n переходе появляется дополнительное внешнее электрическое поле, направленное навстречу внутреннему полю ЭДП, отчего результирующее поле в переходе уменьшается, а потенциальный барьер снижается и становится равным . На рис. 10, б штриховой линией показано распределение потенциала в равновесном переходе, сплошной – в неравновесном.

а

б

Рис. 10. Характеристики p-n перехода под прямым напряжением:

а – структура p-n перехода; б – распределение потенциала в p-n структуре.

В результате снижения потенциального барьера равновесное состояние нарушается, и количество основных носителей заряда, диффундирующих через p-n переход (преодолевающих потенциальный барьер) возрастает. При этом дефицит подвижных носителей заряда в обедненном слое сокращается, и его сопротивление уменьшается. Ширина слоя, образованного ионами, не скомпенсированными подвижными носителями заряда, уменьшается, то есть уменьшается ширина p-n перехода .

По мере увеличения прямого напряжения возрастает поток основных носителей, способных преодолеть уменьшающийся потенциальный барьер. Таким образом, в n-область войдет дополнительное число дырок, а в р-область – дополнительное число электронов, которые являются неосновными носителями в этих областях.

Введение носителей заряда через пониженный потенциальный барьер в те области полупроводника, где эти носители становятся неосновными, называется инжекцией. В результате инжекции возрастает диффузионная составляющая тока в p-n переходе.

Известно, что число основных носителей (дырок и электронов), преодолевающих потенциальный барьер в отсутствии внешнего напряжения подчиняется распределению Максвелла-Больцмана

,

.

При подключении прямого напряжения это количество увеличивается в раз:

,

.

Следует ожидать, что во столько же раз увеличится и диффузионный ток через p-n переход

,

где – диффузионный ток через переход в состоянии равновесия.

Поток же неосновных носителей остается неизменным, так как результирующее поле всегда достаточно велико, чтобы перебросить их через переход. Соответственно ток, обусловленный движением этих носителей заряда остается таким же, как и в равновесном состоянии, при котором он был равен диффузионному и направлен навстречу ему.

Если обозначить токи в равновесном состоянии , то при подключении к p-n переходу прямого напряжения результирующий ток будет равен:

или

.

Последнее выражение является вольтамперной характеристикой прямо смещенного p-n перехода. Из него следует, что зависимость прямого тока от прямого напряжения носит экспоненциальный характер. Обусловлен этот ток в основном диффузией основных носителей заряда через p-n переход.