2.3. Неравновесное состояние p-n перехода

2.3.1. Прямосмещенный p-n переход

Если к p-области подсоединить положительный полюс внешнего источника напряжения, а к n-области - отрицательный, такое включение p-n перехода получило название прямого смещения p-n перехода.

В этом случае под действием внешнего электрического поля основные носители заряда начнут перемещаться в сторону p-n перехода. На рис.4 представлены схема включения p-n перехода в прямом направлении и диаграмма распределения потенциала вдоль p-n перехода.

Рис.4. Схема включенияp-nперехода при прямом смещении и потенциальная диаграммаp-nперехода

На рис.4 обозначено: Uпр - напряжение внешнего источника, приложенного к p-n переходу в прямом направлении (прямое смещение p-n перехода); Eвн - напряженность внешнего электрического поля; 1 - распределение потенциала вдоль p-n перехода в равновесном состоянии; 2 - распределение потенциала вдоль p-n перехода при прямом смещении; l_o- ширина p-n перехода в равновесном состоянии;l_пр- ширина p-n перехода при подаче прямого напряжения Uпр.

При подаче внешнего напряжения на p-n переход изменяется его ширина, что видно из потенциальной диаграммы рис.4. При этом ширина прямосмещенного p-n перехода находится из выражения:

,

где .

Из потенциальной диаграммы рис.4 следует, что при прямом смещении высота потенциального барьера снижается и становится равной

.

Это приводит к резкому увеличению тока диффузии через переход: i_D=i_Dp+i_Dn, так как все больше основных носителей заряда оказывается способными преодолеть меньший потенциальный барьер. В несимметричном p-n переходе ток диффузии создается в основном потоком дырок из p-области в n-область, так как встречный поток электронов мал и им можно пренебречь: (Nа=10¹⁸см^-3)>>(Nд=10¹⁵см^-3);i_Dp>>i_Dn. При этом в n-области существенно возрастает концентрация избыточных неосновных носителей заряда - дырок, перешедших из p-области. Это образование избыточной концентрации носителей заряда получило названиеинжекции.

Инжекциейназывается процесс нагнетания носителей заряда в полупроводник, для которого они являются неосновными носителями заряда.

Область, инжектирующая носители заряда, называется эмиттером. Эта область сильно легирована примесями и имеет низкое удельное электрическое сопротивление. Область, в которую инжектируются неосновные для нее носители заряда, называетсябазой. База меньше легирована примесями и имеет большое значение удельного электрического сопротивления.

Энергетическая диаграмма p-n перехода при прямом смещении приведена на рис.5.

При прямом смещении уровень Ферми полупроводника в n-области смещается вверх относительно его положения в p-области на величину, равную eUпр. Соответственно, на эту же величину снижается высота энергетического барьера. При этом дрейфовая составляющая тока p-n перехода не изменяется, так как условия перехода неосновных носителей заряда через p-n переход остаются теми же, что и в равновесном состоянии, то есть переход неосновных носителей заряда происходит в ускоряющем электрическом поле p-n перехода. Из-за снижения высоты энергетического барьера количество переходов основных носителей заряда в тормозящем электрическом поле p-n перехода будет резко увеличиваться, а, соответственно, возрастает диффузионная составляющая тока перехода.

Рис.5. Энергетическая диаграмма прямосмещенногоp-nперехода