2.2 Смещение p-n-перехода в прямом направлении

P-n-переход смещен в прямом направлении если к нему приложено напряжение U плюсом к p-области, а минусом к n- области, то это напряжение почти полностью будет падать на p-n-переходе, сопротивление которого во много раз выше сопротивления областей p и n. В p-n-переходе появится дополнительное внешнее электрическое поле, уменьшающее его внутреннее поле. Потенциальный барьер уменьшится и станет равным:

U₁ = U_к – U.

Соответственно уменьшится ширина p-n-перехода и его сопротивление (рисунок 13):

Рисунок 13 – Структура p-n-перехода, смещенного в прямом направлении (а); распределение потенциала в p-n-переходе (б)

В цепи потечет электрический ток. Однако до тех пор, пока , обедненный носителями заряда p-n-переход имеет высокое сопротивление и ток имеет малое значение. Этот ток вызван дополнительным диффузионным движением носителей заряда, перемещение которых стало возможным в связи с уменьшением потенциального барьера.

При толщина p-n-перехода стремится к нулю т при дальнейшем увеличении напряжения U переход, как область, обедненная носителями заряда исчезнет вообще. В результате компенсации внешним напряжением потенциального барьера электроны и дырки, являющиеся основными носителями заряда в p и n областях, начинают свободно диффундировать в область с противоположным типом электропроводности. Следовательно, существовавший в равновесном состоянии баланс токов диффузий и дрейфа нарушается и вследствие снижения потенциального барьера диффузия основных носителей заряда увеличивается. Через переход потечет ток, который называется прямым.

Введение носителей заряда через электронно-дырочный переход в область полупроводника, где они являются неосновными носителями, за счет снижения потенциального барьера называется инжекцией.

Если p-n-переход является несимметричным и концентрация дырок в p-области во много раз выше концентрации электронов в n-области, диффузионный поток дырок будет во много раз превышать соответствующий поток электронов и последним можно пренебречь. В этом случаи имеет место односторонняя инжекция носителей заряда.

В несимметричном p-n-переходе концентрации основных носителей различаются на несколько порядков (10³ - 10⁴). Поэтому концентрация инжектируемых неосновных носителей гораздо больше в высокоомном слое, чем в низкоомном, т.е. инжекция имеет односторонний характер. Неосновные носители заряда инжектируются в основном из низкоомного слоя в высокоомный.

Инжектирующий слой с относительно малым удельным сопротивлением называется эмиттером; слой в который инжектируются неосновные для него носители – базой.

В результате инжекции в p- и n-областях на границах перехода окажутся дополнительные носители заряда, не основные для данной области. Вблизи p-n-перехода концентрации дырок в области n и электронов в области p отличаются от равновесной:

отсюда следует, что концентрация неосновных носителей заряда на границе p-n-перехода увеличивается по экспоненциальному закону в зависимости от приложенного к нему напряжения.

Дополнительные неосновные носители заряда в течение времени (3 – 5)τ_ε (время диэлектрической релаксации)

,

компенсируются основными носителями заряда, которые приходят из объема полупроводника. В результате на границе p-n-перехода появится заряд, созданный основными носителями заряда, и выполняется условие:

Δn_n ≈Δp_n,

Δр_р ≈Δn_p,

где Δр, Δn – избыточная концентрация электронов и дырок.

Электронейтральность полупроводника восстанавливается. Такое перераспределение основных носителей заряда приводит к появлению электрического тока во внешней цепи, т.к. по ней поступают носители заряда взамен ушедших к p-n-переходу и исчезнувших в результате рекомендации.

Неосновные носители заряда оказавшиеся вследствие инжекции на границе p-n-перехода перемещаются внутрь области с противоположным типом электропроводности. Причиной этого является диффузия и дрейф.

При диффузии неосновных носителей внутрь полупроводника концентрация их непрерывно убывает из-за рекомендаций. Если размеры p- и n-областей превышают диффузионные длины Lp и Ln, т.е. расстояние пройденное частицей за промежуток времени прошедший с момента