2.2.5. Уровень инжекции
Уровень инжекции – это отношение приращения концентрации неосновных носителей, полученного в результате инжекции, к равновесной концентрации основных носителей заряда
, (2.25)
где рп= рп - рп0 и пр= пр – пр0.
Сравнение приращения концентрации неосновных носителей с концентрацией основных носителей заряда объясняется следующим образом. Инжектированные неосновные носители заряда создают у границы перехода объемные заряды для компенсации, которых из областей полупроводника к границам перехода притекают основные носители заряда. То есть у границ перехода создаются избыточные концентрации не только неосновных, но и основных носителей зарядов пп рп в п-области и рр пр в р-области.
Уровень инжекции считают низким, а области называют квазинейтральными, если приащение концентрации инжектированных носителей много меньше концентрации основных носителей заряда
то есть рn << пn0 для полупроводника п-типа и пр << рр0 для полупроводника р-типа.
Уровень инжекции считают средним, если приращение концентрации инжектированных носителей сравнимы с концентрацией основных носителей заряда
то есть рn пп пn0 для полупроводника п-типа и пр рр рр0 для полупроводника р-типа.
Высоким уровнем инжекции будем считать такой, при котором приращение концентрации инжектированных носителей много больше концентрации основных носителей заряда
то есть рn >> пn0 для полупроводника п-типа и пр >> рр0 для полупроводника р-типа.
В случае среднего и высокого уровня инжекции электронейтральность областей нарушается. Однако при рассмотрении физических процессов в р-п-переходе будем полагать уровень инжекции низким и области полупроводника за границами перехода электрически нейтральными.
2.2.6. Обратное включение р-n-перехода
Пусть источник внешнего напряжения подключен положительным полюсом к области п, а отрицательным — к области р (рис. 2.9, а). Под действием такого обратного напряжения иобр через переход протекает очень небольшой обратный ток io6p, что объясняется следующим образом. Поле, создаваемое обратным напряжением, складывается с полем контактной разности потенциалов.
Рис. 2.9. Электронно-дырочный переход
при обратном напряжении
На рис. 2.9, а это показывают одинаковые направления векторов Ек и Еобр. Результирующее поле усиливается, и высота потенциального барьера теперь равна ик + иобр (рис. 2.9, б). Уже при небольшом повышении барьера диффузионное перемещение основных носителей через переход прекращается, то есть iдиф = 0, так как собственные скорости носителей недостаточны для преодоления барьера. А ток проводимости остается почти неизменным, поскольку он определяется главным образом числом неосновных носителей, попадающих на р-п-переход из п- и р-областей.
Выведение неосновных носителей через р-п-переход ускоряющим электрическим полем, созданным обратным напряжением, называют экстракцией носителей заряда (слово «экстракция» означает «выдергивание, извлечение»).
Таким образом, обратный ток io6p представляет собой ток проводимости, вызванный перемещением неосновных носителей. Обратный ток получается очень небольшим, так как неосновных носителей мало и, кроме того, сопротивление запирающего слоя при обратном напряжении очень велико. Действительно, при повышении обратного напряжения поле в месте перехода становится сильнее и под действием этого поля больше основных носителей «выталкивается» из пограничных слоев в глубь п- и р-областей. Поэтому с увеличением обратного напряжения увеличивается не только высота потенциального барьера, но и толщина запирающего слоя (do6p > d). Этот слой еще сильнее обедняется носителями, и его сопротивление значительно возрастает, т. е. Rобр >> Rnp.
Уже при сравнительно небольшом обратном напряжении обратный ток становится практически постоянным. Это объясняется тем, что число неосновных носителей ограничено. С повышением температуры концентрация их возрастает, и обратный ток увеличивается, а обратное сопротивление уменьшается.
Рассмотрим подробнее, как устанавливается обратный ток при включении обратного напряжения. Сначала возникает переходный процесс, связанный с движением основных носителей. Электроны в n-области движутся по направлению к положительному полюсу источника, то есть удаляются от p-n-перехода. А в р-области, удаляясь от p-n-перехода, движутся дырки. У отрицательного электрода они рекомбинируют с электронами, которые приходят из проводника, соединяющего этот электрод с отрицательным полюсом источника.
Поскольку из n-области уходят электроны, она заряжается положительно, так как в ней остаются положительно заряженные атомы донорной примеси. Подобно этому р-область заряжается отрицательно, так как ее дырки заполняются приходящими электронами и в ней остаются отрицательно заряженные атомы акцепторной примеси.
Рассмотренное движение основных носителей в противоположные стороны продолжается лишь малый промежуток времени. Такой кратковременный ток подобен зарядному току конденсатора. По обе стороны p-n-перехода возникают два разноименных объемных заряда, и вся система становится аналогичной заряженному конденсатору с диэлектриком, в котором имеется значительный ток утечки (его роль играет обратный ток). Но ток утечки конденсатора в соответствии с законом Ома пропорционален приложенному напряжению, а обратный ток p-n-перехода сравнительно мало зависит от напряжения.
Приведем энергетическую диаграмму р-п-перехода при обратном включении (рис. 2.10). Вначале изображают уровень Ферми для любой из двух нейтральных областей р-п-перехода и дополняют его соответствующими зоной проводимости и валентной зоной. После этого с учетом направления смещения строят квазиуровень Ферми для другой нейтральной области, а затем соответствующие зону проводимости и валентную зону, причем ширина запрещенной зоны постоянна. При обратном смещении уровень Ферми в р-области следует поднять на величину приложенного напряжения U. И, наконец, зоны проводимости, валентные зоны и квазиуровни Ферми соединяют через обедненную область.
Рис. 2.10. Энергетическая диаграмма при обратном
включении p-n-перехода