19.Зонная диаграмма неравновесного p-n перехода. Квазиуровни Ферми.

Рассмотрим токи в электронно‑дырочном переходе неравновесном (при наличии внешнего напряжения, рис. 2.12) состоянии.

В неравновесном состоянии в p‑n переходе существуют четыре компоненты тока – две диффузионные и две дрейфовые. Диффузионные компоненты тока обусловлены основными носителями, дрейфовые – неосновными. Если приложено прямое внешнее напряжение, то доминируют диффузионные компоненты, если приложено обратное напряжение, то доминируют дрейфовые компоненты.

Р ис. 2.12. Зонная диаграмма p‑n перехода, иллюстрирующая дисбаланс токов в неравновесном состоянии:

а) прямое смещение; б) обратное смещение

В неравновесных условиях область пространственного заряда p‑n перехода описывается двумя квазиуровнями Ферми – отдельно квазиуровнем Ферми для электронов F_n и отдельно для дырок F_p. При приложении внешнего напряжения расщепление квазиуровней Ферми F_n и F_p равно приложенному напряжению V_G [4, 3]. Пространственно oбласть расщепления квазиуровней находится на расстоянии порядка диффузионной длины от металлургического p‑n перехода (рис. 2.13).

Р ис. 2.13. Зонная диаграмма, иллюстрирующая расщепление квазиуровней Ферми F_n и F_p при приложении внешнего напряжения V_G > 0

Распределение концентрации неравновесных носителей в ОПЗ p‑n перехода и в квазинейтральном объеме будет отличаться от равновесного. На границе области пространственного заряда, где F_p - F_n = qV_G, выражение для концентрации n_n, p_n будет:

.

20. Вах идеализированного диода.

ВАХ идеального диода получен при следующих упрощающих предположениях.

1 .Ток протекает одновременно. В p- и n-областях диода концентрации примесей распределены равномерно, а на границе раздела изменяются скачком (резкий переход). 2. Ширина p-n перехода l значительно меньше диффузионной длины дырок в n-области и электронов в p-области. Это означает, что электроны и дырки пролетают слой объемного заряда без рекомбинации. Отсутствует также их термогенерация в области объемного заряда (узкий p-n переход). 3. Обе области п/п сильно легированы, т.е равновесные концентрации дырок в p-области и электронов в n-области значительно больше концентрации носителей заряда в собственном п/п. При этом можно пренебречь падением напряжения на областях диода за пределами p-n перехода и считать, что все приложенное к диоду напряжение падает на p-n переходе. 4. Дрейфовой составляющей тока неосновных носителей заряда вне p-n перехода можно пренебречь (низкий уровень инжекции). 5. Пробой и утечки p-n перехода при обратном смещении отсутствуют. При указанных допущениях ВАХ идеального диода с площадью p-n перехода S описывается выражением: -(1), где - тепловой ток; - плотность теплового тока; температурный потенциал; k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура; e – заряд электрона. Для всех видов диодов ВАХ различаются только масштабным коэффициентом – тепловым током. Его также называют «обратным током насыщения»,т.к при отрицательном напряжении обратный ток идеализированного диода= и не зависит от напряжения. При прямом смещении (U>0) источник напряжения подключен «плюсом» к p-области и «минусом» к n-области. При обратном смещении (U<0) полярность источника противоположная. При напряжении смещения прямая ветвь ВАХ диода в полулогарифмических координатах представляет собой прямую линию. Небольшое изменение напряжения на диоде для прямого смещения влечет за собой весьма значительные изменения тока. При обратном смещении ( ) экспоненциальным членом в (1) можно пренебречь. В этом случае , т.е при достаточно большом обратном смещении ( ) ток диода насыщается и не зависит от напряжения смещения. При обычных рабочих температурах п/п приборов можно считать, что все акцепторы в p-области и доноры в n-области полностью ионизированы. Тогда равновесные концентрации дырок в p-области и электронов в n-области равны соответствующим концентрациям примесей (акцепторной и донорной ): , . Плотность теплового тока при этом: , где , - коэффициенты диффузии дырок в n-области и электронов в p-области; , - толщины p- и n-областей. Плотность теплового тока определяется параметрами п/п материала. Собственная концентрация носителей заряда в германии при комнатной температуре примерно на 3 порядка выше, чем в кремнии, что связано с различием в ширине запрещенной зоны , поэтому кремниевым диодам свойствен сдвиг харак-ки по оси напряжений (т.н «пятка»).