3 Неравновесное состояние p-n-перехода
Если подключить источник э.д.с. U между р- и n-слоями, то равновесие перехода нарушится. Выше уже подчеркивалось, что
удельное сопротивление обедненного слоя намного выше, чем удельные сопротивления нейтральных слоев. Поэтому внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, а значит, изменение высоты потенциального барьера равно значению приложенной э.д.с.
Прямое включение p-n перехода.
Когда источник внешнего напряжения подключен плюсовым выводом к p-области, а минусовым выводом к n-области, то такое включение p-n перехода в электрическую цепь называется прямым.
В случае противоположного включения – обратным.
Условия переноса зарядов через p-n переход существенно изменяются, если к нему приложено некоторое внешнее напряжение.
Так как сопротивление p-n перехода значительно превышает сопротивление p- и n-областей, то внешнее напряжение практически полностью падает на переходе, создавая внешнее электрическое поле Евн. При прямом включении внешнее поле направлено навстречу внутреннему Ei. Напряженность результирующего поля и потенциальный барьер уменьшаются до величины:
|
(3.7) |
.Основные носители притекают к p-n переходу, уменьшая их недостаток в приконтактных областях. Толщина перехода становится меньше и сопротивление его уменьшается.
Снижение потенциального барьера ведет к резкому увеличению диффузии основных носителей и, следовательно, росту тока диффузии Iдиф.
Иначе говоря, при подключении к переходу прямого напряжения развивается диффузионное движение частиц через запирающий слой в ту область, где они являются неосновными носителями (дырок – в n-область и электронов в p-область.
Этот процесс называют инжекцией неосновных носителей заряда.
Количество неосновных носителей, дрейфующих через p-n переход, при этом уменьшается и при Uпр k прекращается совсем. Однако концентрация неосновных носителей невелика, поэтому этот эффект заметного влияния на общий ток в цепи не оказывает.
Инжектированные носители диффундируют от p-n перехода вглубь областей и рекомбинируют с основными носителями по мере удаления от перехода.
Количество носителей уменьшается по мере удаления от перехода по экспоненциальному закону согласно (2.27), время, за которое концентрация инжектированных носителей уменьшается в e раз, называют временем жизни неосновных носителей, а расстояние L (2.33), которое они при этом проходят – диффузионной длиной.
|
, где D – коэффициент диффузии. |
|
||
|---|---|---|---|---|
Таким образом
|
(3.8) |
|
||
.Этот ток называется прямым, его направление совпадает с направлением движения дырок.
Прямой ток образуется основными носителями:
дырками, двигающимися из валентной зоны p-области в валентную зону n-области;
электронами, двигающимися из зоны проводимости n-области в зону проводимости p-области.
При Uвн> k p-n переход фактически исчезает.
Обратное включение p-n перехода. В этом случае внешнее напряжение Uобр создает электрическое поле Евн, совпадающее по направлению с диффузионным полем Ei, что приводит к росту потенциального барьера
Wб = е(k +Uобр). |
(3.9) |
Ширина запирающего слоя и, как результат, его сопротивление увеличиваются. Возросший потенциальный барьер могут преодолеть лишь отдельные основные носители, имеющие достаточно большую энергию, то есть диффузионный ток стремиться к нулю.
Результирующее поле в p-n переходе для неосновных носителей будет ускоряющим и они свободно проходят через переход, образуя так называемый обратный ток I0. Из-за малой концентрации неосновных носителей даже при увеличении обратного напряжения Uобр обратный ток I0 практически не растет.